Защитные характеристики вентильных разрядников при воздействии грозовых перенапряжений (импульсное пробивное и остающееся напряжение), а для разрядников более высокого напряжения и при воздействии внутренних перенапряжений (пробивное и остающееся напряжение) должны координироваться с характеристиками защищаемой изоляции. Под координацией подразумевается установление необходимого рационального соотношения между электрической прочностью изоляции и уровнем защитных характеристик разрядников.
При воздействии перенапряжений пробой искровых промежутков разрядников должен произойти при более низком напряжении, чем то, при котором возможен разряд по защищаемой изоляции. Ниже разрядного напряжения изоляции должно быть также и остающееся напряжение на разрядниках при принятом токе координации.
Скоординированные с характеристиками разрядников значения испытательных напряжений изоляции электрооборудования регламентируются ГОСТ 1516—68.
Импульсные испытательные напряжения нормируются при испытании электрооборудования трехкратным приложением импульсов полной волны 1,5/40 мксек и волны, срезанной при предразрядном времени 2 мксек. Испытанием полной волной проверяют соответствие уровня изоляции воздействующим перенапряжениям при наличии разрядника вблизи защищаемого оборудования. Испытание срезанной волной служит для проверки уровня изоляции при воздействии на нее перенапряжений, возникающих при некотором удалении защищаемого оборудования от разрядника, при разряде по изоляции другого оборудования, в том числе для имитации колебательных процессов в обмотках трансформаторов.
Испытание изоляции электрооборудования напряжением промышленной частоты 50 Гц производится приложением испытательного напряжения в течение одной минуты, а для внешней изоляции приложением выдерживаемого напряжения при плавном подъеме его до нормируемого значения. Испытанием напряжением промышленной частоты проверяют соответствие изоляции уровню возможных внутренних перенапряжений.
Импульсные испытательные напряжения внутренней и внешней изоляции электрооборудования на номинальные напряжения от 3 до 500 кВ координируются с остающимися напряжениями на разрядниках по формулам, приведенным в табл. 3-6.
Таблица 3-6
Формулы координации импульсных испытательных напряжений изоляции электрооборудования с остающимися напряжениями на разрядниках
Рассмотрим обозначения, принятые в этих формулах. Остающееся напряжение на разряднике Uoст для электрооборудования до напряжения 220 кВ включительно определяется при импульсном токе 5000 а. Для электрооборудования 330 и 500 кВ, как более ответственного, координация производится при импульсном токе с длиной фронта 3 мксек амплитудой 7000 и 10 000 а соответственно для 330 и 500 кВ, а для силовых трансформаторов 500 кВ, которые защищаются одновременно двумя разрядниками, установленными у трансформатора и на вводе линии, — также при импульсном токе амплитудой 5000 а. Величины k1 и ΔU1 учитывают возможное повышение напряжения на защищаемом оборудовании по сравнению с напряжением на разряднике из-за возможной их территориальной разобщенности, а также возможность более высокого напряжения на разрядниках низших классов из-за протекания через них импульсного тока амплитудой более 5000 а или с длиной фронта импульса менее 10 мксек, при которой нормируется остающееся напряжение на разрядниках. Принято k1=1,11, ΔU1 = 15 кВ. Коэффициентом кумулятивности k2 учитывается возможность снижения импульсной прочности изоляции из-за многократного воздействия грозовых перенапряжений. Для изоляции 3—220 кВ принято k2 = 1,1-1,15 (большая величина для низших классов напряжения). При воздействии срезанных волн принимается коэффициент кумулятивности k3 = 1,15. Для классов напряжения 330 и 500 кВ, учитывая, что такие линии полностью защищаются тросами и воздействия с предельной амплитудой вследствие этого весьма редки, коэффициент кумулятивности принимают меньшей величины: k2= 1,05. Величина ∆U2 учитывает влияние возбуждения силового трансформатора, трансформатора напряжения или шунтирующего реактора на землю на повышение импульсного напряжения, действующего на изоляцию соответствующего оборудования, и принимается равной половине номинального напряжения этого оборудования. Для аппаратов и трансформаторов тока ∆U2 = 0.
Возможное повышение напряжения на защищаемом объекте по сравнению с напряжением на разряднике при воздействии срезанной волны учитывается коэффициентом k4 = 1,25.
Для аппаратов и трансформаторов тока напряжением до 20 кВ включительно импульсное испытательное напряжение внутренней изоляции в целях унификации принимается равным импульсному испытательному напряжению внешней изоляции, т. е. несколько большим, чем получаемое при вычислении по формулам координации. Для силовых трансформаторов, трансформаторов напряжения и шунтирующих реакторов к соответствующим значениям добавляется ∆U2.
Электрическая прочность внешней изоляции зависит от атмосферных условий. Возможное снижение прочности внешней изоляции из-за уменьшения относительной плотности воздуха при установке электрооборудования на предельной высоте 1000 м или при максимально допустимой температуре окружающей среды (+ 35° С) учитывается коэффициентом k5 = 0,84.
Для электрооборудования классов 330 и 500 кВ, изоляция которого координируется с остающимся напряжением на разрядниках при импульсном токе с длиной фронта 3 мксек, по сравнению с длиной фронта 10 мксек, увеличение остающегося напряжения учитывается коэффициентом k0 = 1,05.
В приведенных в табл. 3-6 формулах координация импульсной прочности изоляции электрооборудования производится только с остающимися напряжениями на разрядниках. Координация с импульсными пробивными напряжениями разрядников не производилась, так как у вентильных разрядников на напряжение 35 кВ и выше, выпускавшихся к моменту составления формул координации, остающееся напряжение при токе координации превышало импульсное пробивное. Для электрооборудования же до 20 кВ включительно, как было указано выше, импульсное испытательное напряжение принимается несколько более высоким, чем получаемое по формулам координации.
В случае необходимости в координации импульсного испытательного напряжения электрооборудования с импульсным пробивным напряжением вентильных разрядников можно воспользоваться в первом приближении аналогичными формулами координации, в которых остающееся напряжение на разряднике заменяется его импульсным пробивным напряжением и исключаются коэффициенты, учитывающие возможное повышение напряжения па разряднике за счет большей, чем 5000 или 7000 а, амплитуды импульсного тока или меньшей, чем 10 мксек, длины фронта импульса тока в разряднике.
Испытательное напряжение электрооборудования при промышленной частоте координируется с максимальным пробивным напряжением разрядников при частоте 50 Гц, принимаемым за верхний предел внутренних перенапряжений, которые могут воздействовать на изоляцию.
Одноминутное испытательное напряжение определяется по формуле:
где Up.в — верхний предел пробивного напряжения разрядника при частоте 50 Гц (для электрооборудования классов 110—220 кВ принимается не выше трехкратного максимального фазного напряжения); β1 — коэффициент, учитывающий упрочнение изоляции при воздействии внутренних перенапряжений по сравнению с воздействием напряжения частоты 50 Гц; β2 — коэффициент кумулятивности.
Для трансформаторов (силовых и напряжения) и шунтирующих реакторов принимают β1=1,3-1,35; β2= 0,9; для аппаратов и трансформаторов тока β1=1,1; β2 =1,0.
У некоторых видов электрооборудования для обеспечения соответствия одноминутных испытательных напряжений импульсным испытательным напряжениям приняты несколько более высокие одноминутные испытательные напряжения, чем те, что получаются по указанной формуле координации.
Выдерживаемое испытательное напряжение внешней изоляции определяется формулами:
а) при испытании в сухом состоянии
б) при испытании под дождем
где кВ = 1,03—коэффициент, учитывающий суммарное воздействие неблагоприятных атмосферных условий и упрочнение изоляции при воздействии внутренних перенапряжений по сравнению с воздействием напряжения частоты 50 Гц.
При этом при определении испытательных напряжений внешней изоляции электрооборудования 110 кВ. в сухом состоянии вместо Uр.в принимается значение не выше 3,2 максимального фазного напряжения (под дождем не выше трехкратного максимального фазного напряжения).
За рубежом при координации характеристик изоляции и вентильных разрядников пользуются упрощенными приемами [55]2. Принимается определенный интервал между испытательными напряжениями изоляции и защитным уровнем разрядников, в качестве которого принимают наибольшую из следующих трех величин: а) импульсное пробивное напряжение разрядников при полной волне; б) импульсное пробивное напряжение его на фронте импульса, нарастающего со стандартной крутизной (см. § 3-3, деленное на 1,15; в) остающееся напряжение при номинальном разрядном токе.
Для импульсного испытательного напряжения электрооборудования наиболее общепринятый интервал составляет 20—30%. Для подстанций, к которым присоединены линии на деревянных опорах без тросовой защиты, иногда рекомендуется ориентироваться на остающееся напряжение на разрядниках при импульсных токах 20 000 а. Импульсные испытательные напряжения изоляции при срезанной волне (время среза около 3 мксек) устанавливаются на 15% более высокими, чем при полной волне.
В последние годы в связи с существенным улучшением защитных характеристик вентильных разрядников в целях удешевления применяют оборудование со сниженной изоляцией. ГОСТ 1516—68 предусматривает сниженные на 15—20% испытательные напряжения силовых трансформаторов, защищаемых магнитно- вентильными разрядниками серии РВМГ, по сравнению с трансформаторами, которые защищались разрядниками РВС напряжением 110—220 кВ. Широко применяют оборудование со сниженной изоляцией в США. Так, например, при максимальном рабочем напряжении 242 кВ вместо импульсного испытательного напряжения изоляции трансформаторов 900 кВ стали применять 825, 750 или даже 650 кВ. При этом интервал между уровнями изоляции и защитными характеристиками разрядников не уменьшился, а в некоторых случаях даже увеличился.
Уровень изоляции при внутренних перенапряжениях за рубежом принимается равным 0,8—0,85 импульсного уровня изоляции при полной волне. При этом интервал между уровнем изоляции и пробивным напряжением разрядников при этих воздействиях, в качестве которого нередко используется верхний предел пробивного напряжения при промышленной частоте, составляет 10—15%.
1 Для аппаратов, измерительных трансформаторов и шунтирующих реакторов 330 и 500 кв k1 = 1,2.
2 Более детально разрабатывается в США координация характеристик изоляции и разрядников применительно к электропередачам 500 кв [151].
Так как электрическая прочность изоляции электрооборудования и защитные характеристики вентильных разрядников подвержены некоторому разбросу, наиболее обоснованная координация этих характеристик должна базироваться на статистических закономерностях, учитывающих статистическое распределение как пробивных и остающихся напряжений разрядников и протекающих через них при воздействии перенапряжений токов, так и электрической прочности изоляции различного электрооборудования. Координация их должны быть выполнена так, чтобы было обеспечено оптимальное технико-экономическое решение, исключающее необоснованные запасы изоляции.
Методы статистического подхода к координации изоляции и разрядников начали разрабатываться, однако пока только применительно к координации характеристик изоляции линий электропередач и разрядников при внутренних перенапряжениях [6, 9].
