Стартовая >> Статьи >> Ограничение перенапряжений в электрических сетях высокого напряжения

Ограничение перенапряжений в электрических сетях высокого напряжения

Ограничение перенапряжений на подстанции

Длительное время изоляцию воздушных линий (BЛ) и подстанций на номинальное напряжение 220 кВ и менее защищали только от грозовых перенапряжений, которые представляют наибольшую опасность для этих сетей. Для этих целей первоначально использовались простейшие защитные устройства — искровые промежутки (ИП), которые в соответствии со своей основной выполняемой функцией также именуются защитными промежутками (ПЗ). Как и все защитные аппараты, ПЗ включаются параллельно изоляционным конструкциям между фазным проводом и землей (рис.1, а); при набегании волны перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. Для предотвращения повреждения изоляции вследствие нарушения ее электрической прочности вольт-секундная характеристика (ВСХ) защитного устройства (зависимость максимального значения воздействующего импульса напряжения от предразрядного времени) графически должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции. Однако в связи с тем, что искровые промежутки образованы системой стержневых электродов, формирующих резко неоднородное электрическое поле, их ВСХ в зоне малых предразрядных времен имеет весьма высокую крутизну, которая может превышать крутизну весьма пологой ВСХ изоляции подстанций, электрическое поле которой значительно более равномерное. Соответственно, может оказаться, что при малых предразрядных временах изоляция не будет защищена (рис. 1, б).

 

Схема включения защитного устройства
Рис. 1. Схема включения защитного устройства (а) и согласование вольт-секундных характеристик изоляции защищаемого оборудования и искрового промежутка (б):
1 — падающая волна перенапряжения без ограничения; 2 — ВСХ изоляции защищаемого оборудования: 3 — ВСХ ПЗ; 4 — падающая волна перенапряжения при ограничении ПЗ
После пробоя ПЗ происходит срез напряжения и фазный провод или фазные провода в случае, если пробой произошел и в ПЗ других фаз, заземляются через некоторое сопротивление заземления R3, которое совместно с протекающим через него током, определяет напряжение на ИП, называемое остающимся. После прохождения импульсного тока перенапряжения возможен пробой ионизированного промежутка фазным рабочим напряжением с образованием устойчивого дугового короткого замыкания, при котором через ПЗ протекает ток, ограниченный только волновым сопротивлением линии и R3 и называемый сопровождающим; КЗ, если оно не устранено за весьма малое время, вызывает аварийное отключение электроустановки релейной защитой. Вероятность самопроизвольного погасания электрической дуги в сетях с заземленной нейтралью невелика и потому широкое применение для ограничения грозовых перенапряжений ПЗ получили в сетях с изолированной нейтралью (т.е. на номинальное напряжение 35 кВ и менее), причем для повышения надежности электроснабжения ПЗ устанавливаются, как правило, на линиях, оборудованных устройствами автоматического повторного включения (АПВ).
Защитные ИП применяются и на BЛ высокого и сверхвысокого напряжений (вплоть до напряжений 500 кВ), однако в этом случае при ограничении грозовых перенапряжений они выполняют вспомогательные функции.

Дальнейшее совершенствование защитных устройств позволило создать аппараты, обеспечивающие не только ограничение перенапряжений, по и устранение КЗ на линии путем искусственного гашения дуги сопровождающего тока. Первым из таких аппаратов стал трубчатый разрядник (РТ), представляющий собой комбинацию из двух последовательно включенных ИП (рис. 2). Первый (внешний) стержневой промежуток Si выполняет функцию ограничения грозовых перенапряжений. Второй (внутренний) промежуток S2 расположен внутри трубки 1 из газогенерирующего материала. Один конец трубки заглушён заземленным металлическим колпачком 2 с присоединенным к нему стержневым электродом 3. Второй конец трубки открыт и охвачен кольцевым электродом 4. Внутренний промежуток служит для гашения электрической дуги и потому его также именуют дугогасящим.
Трубчатый разрядник
Рис. 2. Трубчатый разрядник
При ограничении перенапряжений можно выделить два этапа срабатывания РТ. На первом этапе при воздействии грозового импульса пробиваются оба ИП и через них протекает импульсный ток, отводящий энергию перенапряжения в землю и тем самым ограничивающий его. Вольт-секундная характеристика трубчатого разрядника определяется в основном размерами внешнего промежутка и имеет вид, характерный для всех стержневых промежутков в атмосферном воздухе (рис. 1, б). Повторный пробой ионизированных промежутков рабочим напряжением приводит к зажиганию между электродами электрической дуги. Начинается второй этап срабатывания РТ — гашение дуги сопровождающего тока. Под действием высокой температуры дуги с внутренней поверхности трубки выделяется большое количество газа, повышающее давление в ней до 15 МПа. Газы устремляются к открытому концу трубки и создают продольное по отношению к горящей дуге дутье, которое позволяет погасить дугу при первом же переходе тока через нулевое значение. Срабатывание РТ сопровождается выхлопом значительного количества раскаленных ионизированных газов и сильным звуковым эффектом.
До настоящего времени в соответствии с ГОСТ 11475 выпускаются РТ двух типов: РТФ с фибробакелитовой газогенерирующей трубкой для сетей с номинальным напряжением 3 — 110 кВ и РТВ(У) с винипластовой трубкой для сетей 3 — 220 кВ.
Крутая ВСХ и наличие зоны выхлопа делают непригодными РТ для защиты изоляции РУ подстанций, так как электрическое поле в размещаемом там электрооборудовании стремятся обеспечить по возможности равномерным для более полного использования изоляционных материалов и сокращения габаритов и массы. Обычно с помощью РТ защищают от грозовых перенапряжений участки ВЛ электропередачи с ослабленной изоляцией, а также линейные подходы к подстанциям.
Более совершенный способ гашения дуги сопровождающего тока применяется в вентильных разрядниках (РВ). В этих аппаратах один относительно длинный ИП заменен системой последовательно включенных коротких промежутков длиной 0,5 — 1,0 мм. Соответственно, силовая дуга короткого замыкания разбивается на ряд нестабильно горящих на холодных электродах коротких дуг. Для облегчения отключения КЗ последовательно с блоком ИП 1 (рис 3) также включается нелинейный резистор (HP) 2, значение сопротивления которого резко возрастает при уменьшении напряжения на разряднике. Таким образом, после ограничения перенапряжения (т.е. после протекания через РВ импульсного тока) сопровождающий ток резко уменьшается многократно возросшим сопротивлением HP и прерывается искровыми промежутками при первом же переходе через нулевое значение.
Нелинейные резисторы РВ изготавливаются из материала на основе электротехнического карбида кремния (карборунда) SiC, имеющего вольт-амперную характеристику (ВАХ), которая в диапазоне токов от десятков ампер до 20 кА может апроксимироваться уравнением

где а и к — соответственно коэффициент нелинейности и постоянная, зависящая от параметров материала HP.
Вентильные разрядники с карборундовыми нелинейными резисторами, в модификации именуемые "вилит", использовались исключительно для ограничения грозовых перенапряжений (разрядники серий РВС, РВП, РВО, РВМ, РВМГ). Однако, как показали результаты многочисленных исследований, технико-экономические показатели электропередач 330 кВ и выше в значительно большей степени зависят от внутренних перенапряжений. Именно отказ от выбора изоляции BЛ и электрооборудования подстанций по возможному максимальному значению этих перенапряжений, как делалось ранее для электропередач более низкого напряжения, и переход к их принудительному ограничению до экономически целесообразного уровня обеспечил возможность создания и широкого внедрения как у нас в стране, так и во всем мире электропередач сверх- и ультравысокого напряжения. Например, снижение расчетного уровня коммутационных перенапряжений на 15% (что эквивалентно такому же уменьшению испытательных напряжений изоляции электропередачи) позволяет уменьшить удельную стоимость BЛ на 4 — 5%, а ОРУ — на 6%. При этом необходимые изоляционные расстояния снижаются на 25 — 30%, что позволяет компактизировать линии электропередачи и оборудование, повышая тем самым их экологическую безопасность, увеличивая надежность, снижая удельную материалоемкость.
Система ограничения квазистационарных внутренних перенапряжений, как правило, строится на основе схемно-режимных мероприятий. Ограничение коммутационных перенапряжений первоначально осуществлялась исключительно с помощью РВ. Однако пропускная способность вилитовых нелинейных резисторов (способность многократно пропускать большие токи без разрушения) оказалась слишком низкой для токов коммутационных перенапряжений, обладающих значительно большей по сравнению с грозовыми перенапряжениями энергией. Были разработаны РВ с HP из тервита, также материала на основе карбида кремния, но производимого по иной, высокотемпературной, технологии.
Схема вентильного разрядника
Рис 3. Схема вентильного разрядника

Тервитовые резисторы имеют повышенную пропускную способность при ухудшенной (меньшей) нелинейности. Это приводит к тому, что хотя тервитовые РВ и способны осуществлять защиту изоляции ЛЭП как от коммутационных, так и от грозовых перенапряжений, но с существенно различной эффективностью, т. е. с помощью разрядников невозможно обеспечить одновременное ограничение этих перенапряжений до оптимальных уровней.
Возникающие трудности при координации изоляции ВЛ и оборудования РУ не удается решить и при использовании комбинированных разрядников типа РВМК, часть нелинейного сопротивления которых шунтируется дополнительным блоком ИП, пробивающихся при ограничении грозовых перенапряжений и, таким образом, снижающих их уровень. Кроме того, требования к дугогасящей способности ИП при коммутационных перенапряжениях оказываются также более высокими. Эта проблема отчасти была решена разработкой токоограничивающих ИП и ИП с растягивающейся дугой, которые применяются в разрядниках серий РТВ и РВРД для сетей на напряжение 6 — 10 кВ.
Конструкции выпускаемых в нашей стране РВ приведены в справочной литературе; их параметры нормируются ГОСТ 16357.
К началу 70-х годов вентильные разрядники с HP на основе карбида кремния, обеспечивая ограничение коммутационных перенапряжений до уровня не ниже 2UHpфт  (где UHpфт — амплитудное значение наибольшего рабочего фазного напряжения сети), вплотную приблизились к пределу своих возможностей. Попытка создания РВ на 1150 кВ с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 1,8UHpфт  окончилась неудачей.
Непреодолимые трудности на пути улучшения защитных характеристик РВ объясняются прежде всего слабой нелинейностью резисторов на основе карбида кремния. Кроме того, глубокому ограничению перенапряжений препятствуют недостатки, свойственные искровым промежуткам (инерционность, разброс пробивных напряжений, ограниченная дугогасящая способность и т.д.).
Дальнейший прогресс на пути улучшения защитных характеристик разрядников может быть достигнут применением HP   на основе материала, имеющего значительно большую нелинейность (коэффициент нелинейности не выше 0,04), чем у резисторов из карбида кремния. В этом случае появляется возможность отказа от использования в разрядниках ИП и осуществить глубокое (до уровня 2Uнpфт  и менее) ограничение коммутационных перенапряжений. Требованию высокой нелинейности удовлетворяют резисторы на основе оксида цинка, применяемые в нелинейных ограничителях перенапряжений — наиболее перспективных в настоящее время аппаратах для ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений. Совместная установка в электрических сетях нелинейных ограничителей перенапряжений и управляемых реакторов, а также оптимизация схемно-режимных мероприятий по ограничению перенапряжений позволяют снизить внутренние перенапряжения вплоть до уровня фазного напряжения электропередачи, что существенно повышает технико-экономические показатели ЛЭП и открывает возможности экономичной передачи электроэнергии на сколь угодно дальние расстояния.

 
« Обслуживание трансформаторов тока   Определение состояния объекта по комплексу измеряемых параметров »
электрические сети