Средства защиты от пернапряжения в сетях выше 1000В

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
1.1. Искровой промежуток
1.2. Трубчатые разрядники
1.3. Вентильные разрядники
1.4. Ограничители перенапряжений
2. ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ ОТ МОЛНИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
3. ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ ПОДСТАНЦИЙ
ЛИТЕРАТУРА

Средства защиты от пернапряжения в сетях выше 1000В

Основу разрядника составляет трубка из газогенерирующего материала 1. Один конец трубки заглушён металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток l1 называется дугогасящим. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутков l2, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки.
Защитное действие РТ характеризуется его вольтсекундной характеристикой и сопротивлением заземления. Вольтсекундная характеристика определяет напряжение срабатывания разрядника, а сопротивление заземления - остающееся на разряднике после его срабатывания импульсное напряжение.
При грозовом перенапряжении промежутки l1 и l2 пробиваются, происходит ограничение импульса напряжения. По каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. В трубке образуется дуга. Происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, и возникшая дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение.
Крутая вольтсекундная характеристика, наличие зоны выхлопа, нестабильные характеристики и срез напряжения не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты под станционного оборудования. Основное их применение - зашита линейных подходов к подстанциям, электрооборудования маломощных подстанций 3-10 кВ и участков пересечения линий различного номинального напряжения.
1.3. Вентильные разрядники
Для защиты изоляции электрооборудования подстанций используются вентильные разрядники [2]. Вентильный разрядник (рис. 4) имеет несколько искровых промежутков 1 и вилитовые (тервитовые) диски 2 с нелинейной вольтамперной характеристикой. При срабатывании РВ от импульса грозового перенапряжения искровые промежутки пробиваются и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на вилитовых дисках. Благодаря нелинейной вольтамперной характеристике РВ падение напряжения мало изменяется при существенном изменении импульсного тока (рис. 5). Вентильный разрядник заключен в фарфоровый корпус 3. закрытый крышкой 4. Расстояние между искровыми промежутками регулируется сжатием пружины 5.
Рис. 4. Вентильный разрядник: а) общий вид, б) схема включения
Рис. 5. Вольтамперные характеристики вентильных разрядников
Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение представляющее собой падение напряжения на резисторе при определенном импульсном токе (5-14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации.
Остающееся напряжение и близкое к нему по значению импульсное пробивное напряжение искрового промежутка, должны быть на 20-25% ниже разрядного или пробивного напряжения защищаемой изоляции (координационный интервал).
Вслед за импульсным током через вентильный разрядник 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 надежно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения, а соответствующий сопровождающий ток — током гашения.
На искровые промежутки РВ возлагается подключение нелинейного резистора при перенапряжениях и его отключение при прохождении сопровождающего тока.
Разрядники разделены на четыре группы. Наилучшими защитными свойствами обладают РВ группы I, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения. Далее следуют разрядники II. III и IV групп.
К IV группе относятся разрядники серий РВП (подстанционный) и РВО (облегченный) на напряжение 3-10 кВ. Нелинейные резисторы этих разрядников комплектуются из вилитовых дисков.
Разрядники серии РВС (станционный) относятся к III группе. Они применяются для защиты электрооборудования напряжением 15-220 кВ. Разрядники этой серии на высшие классы напряжения комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения. Стандартный элемент, например, на 35 кВ (РВС-35) содержит 32 единичных искровых промежутка 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 помешается в герметизированный фарфоровый чехол. Герметизация необходима для предохранения вилита от действия влаги и для обеспечения стабильности разрядных характеристик искровых промежутков.
Магнитно-вентильные разрядники на напряжения 3-35 кВ составляют серию РВМ (магнитный), а на напряжения 110-500 кВ -серию РВМГ (магнитный, грозовой). Они относятся ко II группе. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150 мм.
К I группе относятся разрядники серий РВТ (токоограничивающий) и РВРД (с растягивающейся дугой). Разрядники этих серий комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков. Разрядники на 3-10 кВ, предназначенные для зашиты электрических машин, имеют остающееся напряжение при токе 3 кА и импульсное пробивное напряжение не выше испытательных напряжений изоляции машин. Высокая пропускная способность тервита позволяет использовать эти разрядники для ограничения внутренних перенапряжений.
1.4. Ограничители перенапряжений
Высокая нелинейность вольтамперной характеристики металло-оксидных варисторов, отсутствие искровых промежутков, широкое применение новых полимерных и композиционных материалов позволили создать ОПН с привлекательными эксплуатационными и технологическими характеристиками.
Специальный режим отжига керамической пудры на основе оксида цинка создает из каждой частицы сферический варистор. Его объем обладает электрической проводимостью, а периферия (оболочка) - тонкий пограничный слой - является изоляционным и управляет электрическим током, протекаюшим через керамику. Каждый слой между двумя частицами представляет собой микроваристор с определенным уровнем порогового напряжения. Множество микроваристоров составляют объемную структуру, электрические свойства которой обусловлены качеством цинкооксидной пудры и технологией ее обжига.
Если приложенное напряжение ниже порогового уровня, то материал работает как изолятор. При достижении порогового напряжения керамические частицы (варисторы) переключаются и начинают проводить электрический ток. Дальнейшее увеличение напряжения будет ограничиваться и поддерживаться практически на одном уровне.
Преимуществами ОПН [3] являются возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность. Однако эффективность их использования в сетях различного напряжения и состава существенно зависит от правильного выбора характеристик аппарата.
Условия эксплуатации ОПН зависят от класса напряжения и от состава сети. В связи с этим сети могут быть классифицированы в зависимости от режима заземления нейтрали:
сети высокого напряжения (выше ПО кВ), эксплуатируемые при глухо заземленной нейтрали;
сети среднего напряжения 6-35 кВ с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через резистор или лугогасяший реактор.
Сети средних классов напряжения можно подразделить на:
- распределительные сети (воздушные, кабельные или воздушно-кабельные);
- сети, в состав которых входят вращающиеся машины: сети собственных нужд электростанций, электрические сети насосных и компрессорных станций магистральных нефте- и газопроводов, сети в системах водоснабжения крупных промышленных центров.
На подстанциях. Наибольшее длительно допустимое напряжение на аппарате должно превышать наибольшее рабочее фазное напряжение сети.
В качестве расчетных воздействий при установке ОПН на шинах или на трансформаторах, не коммутируемых вместе с ВЛ, должны приниматься стационарные режимы при несимметричном КЗ на шинах подстанции. При установке ОПН на подстанции за линейным выключателем (на линии) или на шунтирующем реакторе в качестве расчетных коммутаций следует принимать включение незагруженной ВЛ в цикле АПВ с учетом разброса в действии полюсов выключателя или в цикле ОАПВ. В ряде схем следует учитывать также коммутацию одностороннего отключения ВЛ при действии автоматики приращения асинхронного хода.
На опорах воздушных линий электропередачи. Объектами зашиты линейной изоляции от грозовых перенапряжений с помощью ОПН могут быть высокие переходные пролеты через водоемы и другие преграды на трассе ВЛ; участки ВЛ с ослабленной изоляцией; двухцепные электропередачи с вертикальной подвеской проводов; участки трассы ВЛ, проходящей через районы с локальной повышенной грозопоражаемостью; а также в гололедных районах, где подвеска тросов нецелесообразна.
Должны учитываться следующие обстоятельства:
- аппараты не должны срабатывать при коммутационных перенапряжениях, сопровождающих эксплуатацию линии (защита от перенапряжений этого вида возлагается на аппараты, установленные на подстанциях);
- способ присоединения ОПН к проводам ВЛ - безыскровой или через искровой промежуток. К основным преимуществам искрового присоединения можно отнести отсутствие постоянно протекающего тока в нормальном эксплуатапионном режиме. Недостатком этого типа зашиты является достаточно сложная координация пробивных напряжений открытых искровых промежутков с разрядными напряжениями защищаемой линейной изоляции.
Эскиз расположения ОПН на опоре приведен на рис. 6.
Расстановка ОПН на фазных проводах ВЛ зависит от конструкции линии: на двухцепных ВЛ можно устанавливать аппараты лишь на верхних фазах, на ВЛ одноцепного исполнения с горизонтальным расположением фазных проводов - лишь на крайних фазах.
Рис. 6. Эскиз расположения ОПН на опоре
Расчетными случаями для ВЛ напряжением 110 кВ н выше с сопротивлением заземления, не превышающим 10 Ом, являются как прямой удар в провод при прорыве молнии сквозь тросовую защиту, так и удар молнии в опору или в трос вблизи от опоры. В случае повышенных сопротивлений заземления опор (более 10 Ом) для всех классов воздушных линий электропередачи необходимо учитывать удары молнии как в опоры, так и в фазные провода.
На токовые воздействия при грозовых перенапряжениях способ присоединения ОПН к проводу влияет несущественно. Энергия же, поглощается варисторамн ОПН при безыскровом присоединении, оказывается несколько меньше, чем при искровом присоединении. Различие в поглощаемой энергии увеличивается с повышением класса напряжения.
2. ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ ОТ МОЛНИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ
Высокую надежность грозозащиты воздушных линий электропередачи обеспечивают следующие мероприятия:
подвеска грозозащитных тросов с достаточно малыми углами защиты;
снижение импульсного сопротивления опор;
повышение импульсной прочности изоляции линий и снижение вероятности установление дуги (в частности, этому способствует использование деревянных траверс и опор);
применение изолированной нейтрали или дугогасящего реактора;
использование автоматического повторного включения линий.
Для линий напряжением 220 кВ и выше [4], сооружаемых обычно на металлических или железобетонных опорах, основным средством грозозащиты являются тросы, располагаемые над фазными проводами. Импульсное сопротивление заземлений опор, к которым присоединяются тросы, должно быть не более 15 Ом для линий 220 кВ, а для линий 110 кВ с железобетонными опорами – не более 20 Ом. При грунтах с удельным сопротивлением более 1000 Ом*м разрешаются более высокие значения сопротивления заземлений. Для уменьшения потерь энергии, возникающих из-за наведенного напряжения 50 Гц в контуре земля-опора-трос-опора-земля, заземление тросов производят не на каждой опоре, подвешивая трос на одном-двух изоляторах, зашунтированных искровым промежутком. Дополнительным средством уменьшения грозопоражаемости линий 220 кВ и выше является использование АПВ.
Линии напряжением 110-150 кВ на металлических и железобетонных опорах также обычно защищаются по всей длине тросами. Эксплуатация линий 110 кВ без тросов допускается в районах с числом грозочасов в году менее 20, при высоких удельных сопротивлениях грунта, в особо гололедных районах, в районах с коррозионным загрязнением атмосферы, в горных местностях с возвышающимися горными массивами. Линии 110-150 кВ на деревянных опорах не требуют подвески грозозащитных тросов в связи с высокой импульсной прочностью изоляции таких линий. Применение АПВ также повышает надежность грозозащиты таких линий.