Стартовая >> Оборудование >> Подстанции >> Параметры ограничителей перенапряжений

Параметры ограничителей перенапряжений

ограничители перенапряжений Тошиба

При определении перечня нормируемых параметров ОПН используется утвержденный Международной электротехнической комиссией (МЭК) в 1991 г. Стандарт 99-4, требования которого дополнены и несколько изменены (как правило, ужесточены) в соответствии с отечественными традициями разработки защитных аппаратов. Таким образом, основными параметрами нелинейных ограничителей перенапряжений являются:
номинальное напряжение (класс напряжения) ограничителя (Uном) — номинальное напряжение сети, для работы в которой предназначен ОПН;
номинальная частота ограничителя (nном) — частота рабочего напряжения сети, для работы в которой предназначен ОПН;
наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение на ограничителе   — наибольшее действующее значение напряжения промышленной (номинальной) частоты, которое длительно (в пределе — в течение всего срока службы аппарата) может быть приложено к выводам ОПН;
вольт-временная характеристика ограничителя — зависимость действующего значения напряжения промышленной частоты от допустимого времени его приложения к ОПН;
номинальный разрядный ток ограничителя (Iном) — наибольшее значение испытательного грозового импульса тока, при котором определяется защитный уровень ОПН при грозовых перенапряжениях и который используется для классификации ОПН. Номинальный ток также называют расчетным током грозовых перенапряжений (Iрг = Iном). Испытательный импульс грозового тока имеет форму апериодической волны 8/20 мкс. Установлен стандартный ряд номинальных разрядных токов: 1500, 2500, 5000, 10000, 20000 А. По этому параметру производится координация других характеристик ограничителя, а также норм и методов его испытаний;
расчетный ток коммутационных перенапряжений (Iр к) — максимальное значение испытательного апериодического импульса тока 30/60 мкс, при котором определяется защитный уровень ОПН при коммутационных перенапряжениях;
остающееся напряжение (UOCT) — максимальное значение падения напряжения на ограничителе при протекании по его нелинейному рабочему резистору импульса тока;
защитный уровень при ограничении грозовых перенапряжений — остающееся напряжение при расчетном токе грозовых перенапряжений (Ur). Этому параметру эквивалентна кратность ограничения грозовых перенапряжений Kr = Ur/UHр.фт;
вольт-амперная характеристика ограничителя при грозовых импульсах тока — зависимость остающегося на ОПН напряжения от максимального значения импульсов тока 8/20 мкс при их варьировании в диапазоне (0,1 2,0) /ном;
защитный уровень при ограничении коммутационных перенапряжений — остающееся напряжение при расчетном токе коммутационных перенапряжений (UK). Этому параметру эквивалентна кратность ограничения коммутационных перенапряжений прямоугольный импульс тока — импульс тока, форма которого близка к прямоугольной. Используется для определения пропускной способности ОПН;
пропускная способность ограничителя при прямоугольных импульсах — максимальное значение прямоугольных импульсов тока (/п) длительностью 2000 мкс, которые ОПН без каких-либо повреждений выдерживает при их двадцатикратном приложении;
пропускная способность ограничителя при грозовых импульсах — максимальное значение импульсов тока 8/20 мкс, которые ОПН без каких-либо повреждений выдерживает при их двадцатикратном приложении;
пропускная способность ограничителя при импульсах большого тока — максимальное значение импульсов тока 4/10 мкс, которые ОПН без каких-либо повреждений выдерживает при их двукратном приложении.
Кроме перечисленных основных характеристик для координации параметров ОПН согласно Стандарту МЭК используются: нормативное напряжение ограничителя   — действующее значение напряжения промышленной частоты, допустимое к приложению в течение 10 с;
класс разряда линии — параметр, определяющийся максимально гарантированным значением энергии, которое ОПН способен поглотить из сети при ограничении грозового или коммутационного перенапряжения без выхода из строя, и зависящий от Uнорм и UK. Класс разряда линии нормируется только для ограничителей с номинальными разрядными токами 10 000 и 20 000 А.
Для отечественных ОПН эти параметры, как правило, не задаются, однако в настоящее время все большее распространение находит нормирование способности к поглощению и рассеиванию энергии, определяемой как отношение максимально гарантированного значения поглощаемой ограничителем энергии к его наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению, что практически эквивалентно классу разряда линии.
Одно из немногочисленных преимуществ вентильных разрядников по сравнению с нелинейными ограничителями перенапряжений состоит в том, что последние имеют меньшую зону защиты — длину участка линии или распределительного устройства, на котором перенапряжения превышают напряжение в точке установки ОПН не более чем на 1 — 2%. Тем не менее, уровень перенапряжений, воздействующих на изоляцию собственно ограничителя значительно ниже максимальных значений перенапряжений на изоляции электрооборудования, установленного на некотором расстоянии от ОПН. Поэтому нормы испытаний изоляционных конструкций нелинейных ограничителей должны быть ниже требований к электрической прочности изоляции всего остального оборудования подстанций и линий электропередачи, приведенных в ГОСТ 1516.1, ГОСТ 20690 и РД 16.556. Испытательные напряжения изоляции ОПН в соответствии с нормами связаны с их защитными уровнями и приведены в табл. 1.
Испытаниям подвергается только изоляционная покрышка (корпус) ограничителя, из которого предварительно удаляется HP. Методы испытаний дан в ГОСТ 1516.2. Изоляция ОПН наружной установки (категория размещения 1 по ГОСТ 15150) испытывается коммутационными импульсами и напряжением промышленной частоты как в сухом состоянии, так и под искусственным дождем. Испытания корпусов ограничителей внутренней установки проводятся только в сухом состоянии.
Требования к нелинейным ограничителям в части других электрических, а также механических и климатических воздействий нормируются, как и для вентильных разрядников.

Таблица 1
Значения испытательных напряжений изоляции ОПН


Номинальный разрядный ток 'ном- А

Испытательное напряжение полного грозового импульса

Испытательное напряжение коммутационного импульса 250/2500 мкс (максимальное значение)

Испытательное кратковременное (одно- минутное) напряжение промышленной частоты (действующее значение)

1500, 2500. 5000

1,3  

1,25 U к(1)

0.88  

10 000. 20 000

1.3  

1,25 25 U к (2)

1.06   (3)

 
Ограничитель перенапряжений присоединен к сети в течении всего срока службы, поэтому через его варисторы, образующие нелинейное сопротивление, непрерывно протекает ток. Допустимая плотность активного тока составляет (1,0 5,0)-10_6 А/см2 при плотности полного тока (10 -г- 30)-10"6 А/см2. Ограничитель сохраняет работоспособность до тех пор, пока в результате воздействия рабочего напряжения и импульсов перенапряжений активная составляющая тока не превысит критического значения, при котором количество теплоты, выделяемой в HP, превысит возможности конструкции ОПН по его рассеянию в окружающую среду, т.е. пока не нарушится тепловое равновесие аппарата. Поглощение ограничителем энергии из сети снижает уровень перенапряжений, что обеспечивает защиту изоляции линий электропередачи. По этой причине при проектировании нелинейного ограничителя необходимо создать условия для удовлетворения двух, в значительной степени противоречивых, требований. С одной стороны, должны быть обеспечены необходимые защитные характеристики аппарата при ограничении как коммутационных, так и грозовых перенапряжений. С другой стороны аппарат должен обладать достаточным ресурсом пропускной способности при импульсных токовых воздействиях и стабильностью параметров как при приложении рабочего напряжения (нормальный эксплуатационный режим), так при воздействии квазистационарных 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 (рис. 1, а), 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 оребренного 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 распредустройства. 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.
Конструктивные исполнения нелинейных ограничителей перенапряжений
Рис. 1. Конструктивные исполнения нелинейных ограничителей перенапряжений в фарфоровом (а) и полимерном (б) корпусах

При использовании фарфоровой покрышки в ОПН предусматривается сквозная демпфирующая полость 8, обеспечивающая передачу избыточного давления при аварийном дуговом перекрытии внутри корпуса на клапаны взрывобезопасности 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 АО "Корниловский фарфоровый завод" (г. Санкт-Петербург) ограничители перенапряжений в фарфоровых корпусах серии ОПН(И) вплоть до номинального напряжения 500 кВ выпускаются в виде одного модуля (рис. 2, а — в). Аппараты на напряжение 750 и 1150 кВ изготавливаются состоящими из двух идентичных, поставленных один на другой модулей (рис. 2, г). Нелинейный рабочий резистор этих ограничителей набран из варисторов диаметром (28±0,5) мм и высотой (10±0,5) мм. Полный перечень параметров ограничителей 110 — 500 кВ приведен в табл. 2, а компиляция основных параметров ОПН 35 — 1150 кВ, включая массо-габаритные характеристики, — в табл. 2.
Ограничители этой серии 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 (рис. 2, в — д). 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 (рис. 1, б). 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 полости и т.д.), и тем самым уменьшить объем ограничителя на 25 — 40%.
ОПН   и ОПНИ
Рис. 2. Аппараты серии ОПН (о - г) и ОПНИ (<5) в фарфоровых корпусах на напряжение:
а - 35 и 110 кВ: б - 150 н 220 кВ; в - 330 » 500 кВ; г - 750 и 1150 кВ, д — 500 кВ
ОПН 500 кВ
Рис. 2, д
Полимерные корпуса идеально подходят для   ограничителей, нелинейные рабочие резисторы которых выполнены в виде одиночной колонки варисторов 1 большого диаметра (рис. 1, б). 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 наполнителям.
Таблица 2
Параметры ограничителей перенапряжения 110 — 500 кВ


Параметр

ОПН-110- ПН-УХЛ1

ОПН-220- ПН-УХЛ1

ОПН-330-
ПН-У1

ОПН-500- ПН-УХЛ1

Номинальное напряжение, кВ Наибольшее длительно

110

220

330

500

допустимое рабочее напряжение, кВ

73

146

210

303

Напряжение на ограничителе, допустимое в течении времени, кВ (не более):

 

 

 

 

20 мин

88

175

250

365

20 с

95

190

270

390

3,5 с

100

200

290

420

1,0 с

105

210

305

440

0,15 с

112

225

325

470

Номинальный разрядный ток. А

5000

5000

10 000

10 000

Расчетный ток коммутационных перенапряжений, А

280

420

700

1200

Защитный уровень при ограничении грозовых перенапряжений, кВ

250

460

700

920

Кратность ограничения грозовых перенапряжений

2,42

2,23

2,36

2,15

Защитный уровень при ограничении коммутационных перенапряжений, кВ

180

360

520

750

Кратность ограничения коммутационных перенапряжений

1,74

1,74

1,75

1,75

Остающееся напряжение, кВ (не более), при импульсах тока 8/20 мкс с максимальным значением:

 

 

 

 

3000 А

230

430

620

825

5000 А

250

460

650

860

10 000 А

280

500

700

920

Пропускная способность:

 

 

 

 

20 импульсов тока 1,2/2,5 мс с максимальным значением, А

280

420

630

1200

20 импульсов тока 8/20 мкс

 

 

 

 

с максимальным значением, А

5000

5000

10 000

10 000

2 импульса тока 4/10 мкс с максимальным значением, А

_

-

65 000

65 000

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.
Таблица 3
Основные параметры ОПН 35 — 1150 кВ
параметры ОПН 35 — 1150 кВ
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 BЛ будет превышать максимальное напряжение на ограничителях не более, чем на 5%.
Задача снижения уровня изоляции ЛЭП решается не только за счет улучшения защитных характеристик нелинейных ограничителей (совершенствования структуры материала и конструкции варисторов, форсировки их охлаждения в аппарате, заливки HP полимерными композициями и т.п.), но и оптимизацией схемы ОПН и формы его присоединения к сети. Описанные выше ограничители включены между фазным проводом и землей (рис. 3, а) и, таким образом, предназначены для ограничения перенапряжений, воздействующих на изоляцию электрооборудования относительно земли. Одной из важнейших задач, решение которой практически невозможно с помощью вентильных разрядников, является глубокое ограничение междуфазных перенапряжений. Применение нелинейных ограничителей в полимерных корпусах подвесного исполнения, рассчитанных на длительное воздействие линейного наибольшего рабочего напряжения линии и присоединенных между фазными проводами (рис. 3, б), естественным образом решает эту проблему. На одной типовой поддерживающей или натяжной опоре ВЛ без сколько-нибудь существенного изменения ее конструкции может быть размещено два трехфазных комплекта подвесных ОПН: ограничители фаза-земля подвешиваются параллельно гирляндам изоляторов или (при соответственном увеличении механической прочности на разрыв) вместо гирлянд и соединяются с фазными проводами и землей; ограничители междуфазных перенапряжений подвешиваются к гирляндам ниже фазных проводов и присоединяются между фазами. Также представляется перспективным установка подвесных ограничителей в РУ электрических станций и подстанций, позволяющая существенно сократить их площадь.
Низкие механические характеристики электротехнического фарфора па разрыв не позволяют изготавливать подвесные ОПН в фарфоровых корпусах. Однако разработана и успешно применяется конструкция ОПН опорного исполнения, позволяющая одновременно ограничивать как перенапряжения относительно земли, так и междуфазные перенапряжения. Схема такого защитного аппарата, получившего наименование ОПНИ, приведена на рис. 3, в, а внешний вид одной фазы ограничителя ОПНИ-500У1 — на рис. 2, д.

Схемы нелинейных ограничителей перенапряжений
Рис 3. Схемы нелинейных ограничителей перенапряжений и их присоединения к электрическим сетям
Нелинейный рабочий резистор каждой фазы ОПНИ разделен на две последовательно соединенные части (НР1 и НР2). Все фазы ограничителей соединены между собой искровыми промежутками, включенными звездой. Средняя точка звезды через емкость С соединена с землей. В нормальном эксплуатационном режиме фазное напряжение приложено к последовательно соединенным резисторам НР1 и НР2. При набегании на аппарат волн коммутационных перенапряжений, которые всегда несимметричны, пробиваются искровые промежутки ИП, резисторы НР2 всех фаз оказываются соединенными параллельно, а резисторы НР1 — попарно последовательно между соответственными фазными проводниками. Таким образом, все нелинейные рабочие резисторы трех фаз ограничителей образуют четырехлучевую звезду (рис. 1, г). Очевидно, что такая схема объединенного защитного аппарата позволяет ограничивать как фазные, так и междуфазные перенапряжения, причем уровни остающихся напряжений могут регулироваться соответствующим подбором значений НР1 и НР2.

При несимметричных КЗ распределения суммарного напряжения поврежденных фаз по искровым промежуткам ОПНИ при отсутствии емкости С может оказаться резко несимметричным. В этом случае оказывается весьма вероятным, что разрядное напряжение какого-либо ИП превысит воздействующее напряжение и его пробоя не произойдет, т.е. ограничитель не включится в режим ограничения междуфазных перенапряжений. Емкость С создает постоянный подпор напряжения на ИП и исключает возможность возникновения подобной ситуации.
Конструктивно аппарат ОПНИ-500 У1 отличается от ограничителя серии ОПН на такое же напряжение наличием отпайки от HP, которая через промежуточный изолированный вывод 1 (рис. 2), рассчитанный на напряжение 60 кВ, соединена с регистратором срабатываний 2 и последовательно с ним соединенной искровой приставкой 3. Искровая приставка содержит набор ИП, подобных используемым в вентильных разрядниках. В приставке имеется изолированный вывод на напряжение 35 кВ для подключения к аппаратам других фаз и емкости.
Ограничители перенапряжений успешно эксплуатируются в сетях 110 кВ и выше уже более 20 лет. Примером эффективности применения защитных аппаратов на основе оксидно-цинковой керамики является их использование на ОРУ 500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС. За счет установки ограничителей серий ОПН и ОПНИ здесь были сокращены все воздушные изоляционные промежутки фаза — земля и фаза — фаза, в результате чего шаг ячейки ОРУ уменьшился с 28 — 31 м до 24 м, а длина ОРУ сократилась на 48 м. Уменьшение межконтактного промежутка разъединителей на 1,0 м позволило также уменьшить ширину ОРУ на 20 м. В целом, получившиеся размеры ОРУ 500 кВ совпадают с размерами ОРУ 330 кВ, защищенного вентильными разрядниками.

 
« Параметры KTПП Самарского завода   Параметры плавких предохранителей 6, 10 , 35кВ »
электрические сети