Молния и молниезащита - Общая характеристика ОПН и выбор варисторов для ОПН

Глава 4
НЕЛИНЕЙНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

1. Общая характеристика ОПН и выбор варисторов для ОПН

ОПН являются в настоящее время основным средством ограничения грозовых перенапряжений, возникающих при поражении молнией линий электропередачи. И хотя со времени начала освоения этого вида защитных аппаратов прошло уже 30 лет, до сих пор отсутствует достаточно полное изложение научных основ их конструирования и эксплуатации, что тормозит развитие оптимальных систем молниезащиты линий и подстанций. Большинство имеющихся пособий по этой проблеме основано на выработанных принципах грозозащиты при использовании разрядников, характеристики которых существенно отличаются от характеристик ОПН. Поэтому включение материала, посвященного этим вопросам, в книгу по молниезащите представляется целесообразным и полезным.
Развитие производства полупроводников обеспечило к началу 1970-х гг. создание материалов с резко нелинейными резистивными характеристиками на основе оксида цинка. В широком диапазоне изменения плотности тока (несколько порядков - от I до 1000 А/см²) напряжение на варисторах изменяется незначительно - примерно на 30%. Такие материалы позволили создать принципиально новые защитные аппараты - нелинейные ограничители перенапряжений или, согласно международной терминологии, - «metal oxide arresters». Отличительной особенностью этих аппаратов является отсутствие в них искровых промежутков, предотвращающих протекание тока через колонки варисторов при рабочем напряжении, как это практиковалось при создании разрядников на основе карбида кремния.   И лишь при значительном повышении напряжения на колонке варисторов сверх наибольшего рабочего напряжения ОПН ток через варисторы начинает быстро нарастать, ограничивая повышение напряжения на линиях или на подстанциях, где ОПН установлены. Это обстоятельство позволяет ставить колонку варисторов в ОПН непосредственно под рабочее напряжение, при котором ток через варисторы составляет доли миллиампера, и обеспечивает значительно более эффективное воздействие ОПН на переходные электромагнитные процессы в электрических сетях и, соответственно, более глубокое ограничение перенапряжений.
При воздействии рабочего напряжения на ОПН обеспечивается тепловой баланс варисторов: выделяемая в них теплота при протекании такого малого тока рассеивается в окружающее пространство, исключая сколько-нибудь значительное повышение температуры свыше температуры окружающей среды. Обеспечение теплового баланса в ОПН при длительном воздействии рабочего напряжения является одной из важнейших задач конструкторов ОПН.
Необходимо отметить, что нелинейные ограничители перенапряжений были созданы впервые в Санкт-Петербурге (Россия) с использованием нелинейного материала, разработанного в оборонной промышленности. И первая информация о создании ОПН на международной конференции по большим электрическим сетям (CIGRE) принадлежит группе российских авторов [55].
На заводе «Пролетарий» в Санкт-Петербурге было освоено крупномасштабное промышленное производство ОПН в фарфоровых корпусах. Его продукция обеспечила возможность создания открытого распределительного устройства 500 кВ (ОРУ-500 кВ) крупнейшей в стране Саяно-Шушенской ГЭС в стесненных условиях долины горной реки, площадь которого вдвое меньше площади обычных ОРУ-500 кВ при использовании разрядников для ограничения перенапряжений. Использование ОПН позволило также существенно сократить размеры закрытых распределительных устройств 110 и 220 кВ. Успешное применение ОПН позволило ввести в ГОСТ на высоковольтные испытания изоляции высоковольтного оборудования |53] сниженные уровни испытательных напряжений для оборудования, защищенного ОПН. При этом производство разрядников в России было прекращено. В начале 1990-х гг. в России было освоено производство одноколонковых ОПН в полимерных корпусах, что ознаменовало существенный прогресс в развитии средств ограничения перенапряжений в электрических сетях, поскольку надежность работы этого типа ОПН значительно выше надежности многоколонковых фарфоровых.
Несмотря на достигнутые в России успехи в создании ОПН, в ГОСТ на ОПН нашли отражение совершенно необоснованные рекомендации МЭК, составленные без участия российских специалистов и свидетельствующие о существенном отставании разработок западных стран от российских. В этих условиях целесообразно остановиться подробно на научных основах создания ОПН.
Основу ОПН составляют варисторы с их особой вольтампер- ной характеристикой (зависимостью напряжения на варисторах от тока через них, рис. 4.1).
При малых плотностях тока через варисторы (до 0,03 А/см²) активная составляющая тока пренебрежимо мала. Через варистор в ОПН протекает в основном емкостный ток, определяемый высокой диэлектрической проницаемостью материала варисторов ε≈1000ε0, пропорциональный приложенному к варистору напряжению Uв  или средней напряженности Ев=Uв/hв электрического поля по высоте Ав варистора:

где емкость варистора
(4.2) SB - площадь рабочей поверхности варистора; f- промышленная частота.
Соответственно, плотность емкостного тока через варистор
(4.3)
Следовательно, плотность тока в варисторах, изготовленных из одинаковых материалов, не зависит от размеров варисторов, а определяется только промышленной частотой f и средней напряженностью электрического поля Ев по высоте варистора.
При увеличении плотности емкостного тока через варисторы свыше 0,03 мА/см² (эффективное значение) увеличение активной составляющей тока через варистор нарушает пропорциональное изменение тока через варистор и напряжения на нем. 


Рис. 4.2. Зависимость напряженности электрического поля в варисторе 0 85 мм (Магнетон) от тока через него (шкала тока линейная)

Рост напряжения постепенно замедляется (рис. 4.2) вплоть до плотности емкостного тока около Jвс = 0,036 мА/см² (эффективное значение), когда максимальное значение активной составляющей тока через варистор достигает амплитуды емкостного тока (рис. 4.3).
Это значение тока определяет начало рабочей (пологой) части вольтамперной характеристики варистора (рис. 4.2), когда изменение тока через варистор (и соответственно плотности тока) на шесть порядков приводит к повышению напряжения на варисторе всего на 20...30%. При дальнейшем увеличении тока через варисторы (при токе свыше 1000 А) рост напряжения на варисторе значительно увеличивается (рис. 4.1).
Плотность тока, соответствующая началу рабочей части вольт-амперной характеристики варисторов приблизительно 0,036 А/см² (действующее значение), называется классификационной плотностью тока. 

Рис. 43. Изменение во времени классификационного напряжения на варисторе (1), емкостной составляющей тока через варистор (2), активной составляющей тока через варистор (3) при классификационном токе

Соответствующий ток называется классификационным током и обозначается Iв кл. Напряжение на варисторе при классификационном токе называется классификационным напряжением и обозначается Uв кл. Классификационный ток и классификационное напряжение являются основными параметрами варисторов, определяющими их выбор при конструировании и комплектации ОПН. При заданной классификационной плотности тока Jвкл=0,036 мА/см² классификационные токи варисторов разных диаметров (амплитудные значения) приведены в табл. 4.1.
Начиная с классификационного напряжения (классификационного тока) вольт-амперная характеристика варисторов описывается степенной функцией
(4.4) где А и а - постоянные вольт-амперной характеристики варистора.
Постоянная А определяется подстановкой в соотношение (4.4) классификационного напряжения и классификационного тока варистора:
(4.5)

Таблица 4.1

Таблица 4.2

что позволяет переписать уравнение вольт-амперной характеристики варисторов в виде
(4.6)
Для определения постоянной а необходимо переписать уравнение вольт-амперной характеристики варистора при заданных напряжении и токе (плотности тока) в произвольной части его вольт-амперной характеристики, например, на краю ее пологой рабочей части или при любом граничном токе используемого для ОПН диапазона вольт-амперной характеристики варистора.
При этом постоянная определяется формулой
(4.7)
Эти соотношения наглядно иллюстрируют роль классификационных параметров варистора в определении его защитной характеристики.
Вычисленные по формуле (4.7) коэффициенты нелинейности для вольт-амперных характеристик различных варисторов, согласно рис. 4.1, приведены в табл. 4.2.

В связи с тем, что, согласно данным табл. 3.25, ток через варисторы, установленные в электрических сетях, не может превысить 5 кА, можно принять коэффициент нелинейности вольт-амперных характеристик варисторов для оценки их защитного эффекта на уровне а = 0,028.
Многочисленными экспериментами установлено, что при обеспечении достаточной теплоотдачи варисторов в конструкции ОПН длительно допустимое напряжение на варисторе в эксплуатации, обеспечивающее необходимый срок службы ОПН (30 лет),
(4.8) и, соответственно, длительно допустимая средняя напряженность электрического поля по высоте варисторов
(4.9)
Согласно формуле (4.3), при действующем значении классификационной плотности тока Jв кл =0,036 А/см² при минимальной плотности тока из указанного выше диапазона длительно допустимых плотностей тока напряженность

Параметр Еврн чрезвычайно важен для обеспечения эксплуатационной способности ограничителя. Обычно он задается производителем на уровне Еврн == 1...1,05 кВ/см. Однако следует иметь в виду, что в зависимости от конструкции ограничителя (материал и толщина покрышки, размер внутренней полости между покрышкой и варисторами, ее заполнение) условия теплообмена варисторов с окружающей средой значительно изменяются. Поэтому и допустимое значение параметра Еврн должно корректироваться в зависимости от конструкции ОПН. Для этого предусмотрены испытания варисторов на старение в течение 1000 ч в макете, составляющем точную копию части ОПН определенной конструкции. При этом положительный результат испытаний варисторов на старение в одной конструкции макета ОПН не может быть распространен на другие конструкции с другими размерами и другими материалами.
Увеличение сопротивления тепловому потоку от варисторов в окружающее пространство требует снижения наибольшей допустимой напряженности электрического поля в варисторах. Не учет этого обстоятельства является одной из основных причин повреждения ОПН в эксплуатации.  По этой причине в ряде случаев производитель не указывает допустимую наибольшую рабочую напряженность, а указывает классификационный ток и соответствующее ему напряжение промышленной частоты (действующее напряжение или амплитудное напряжение.
При длительно допустимом рабочем напряжении активный ток через варисторы пренебрежимо мал по сравнению с емкостным током, значения которого для варисторов различных диаметров, согласно табл. 4.1, вычисленные по формуле (4.3), приведены в четвертой строке табл. 4.1 (действующие значения). Разумеется, при меньшем напряжении на варисторе обеспечивается еще более надежная работа варисторов в конструкции ОПН, однако при этом повышается остающееся напряжение на ОПН при воздействии перенапряжений (грозовых и коммутационных). Поэтому уменьшение рабочей напряженности электрического поля ниже соответствующей формуле (4.9) нецелесообразно.
Необходимая высота колонки варисторов определяется делением наибольшего рабочего напряжения ОПН на длительно допустимую напряженность электрического поля Еврн в варисторе. При повышении наибольшего рабочего напряжения высота колонки варисторов увеличивается. При этом емкостный ток, проходящий с поверхности варисторов на землю и с подводящего шлейфа на варисторы, увеличивается, что приводит к неравномерности распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов. Если не приняты меры для выравнивания распределения напряженности электрического поля вдоль колонки варисторов, напряженность в части варисторов колонки может быть значительно больше средней напряженности, а в другой части колонки - меньше средней. Увеличение напряженности электрического поля в варисторах приводит к увеличению активного тока через них в соответствии с их вольт-амперной характеристикой (см. рис. 4.1), к их перегреву и преждевременному повреждению. Поэтому степень неравномерности распределения напряженности электрического поля вдоль колонки
(4.10) должна быть ограничена специальными мерами. Расчеты показывают (см. п. 4.4), что степень неравномерности может быть ограничена до уровня Кпр = 1,05.
С учетом изложенного высота колонки варисторов в ОПН определяется соотношением
(4.11)
Таблица 4.3

Таблица 4.4

В табл. 4.3 и 4.4 приведены результаты вычислений по формуле (4.11) минимальных высот колонки варисторов для ОПН, работающих в сетях с изолированной (табл. 4.3) и глухозаземленной (табл. 4.4) нейтралью при Еври = 1,05 кВ/см и = 1,05.
Дополнительный емкостный ток протекает через варисторы при увлажнении их поверхности, так как при этом резко изменяется распределение напряжения вдоль варисторов, и возникает большая разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и варисторами. Эта разность потенциалов и является причиной появления дополнительного тока через варисторы, который может многократно превосходить ток при рабочей напряженности электрического поля (градиенте потенциала). Повышенный ток через варисторы при длительном увлажнении приводит к повышению градиента потенциала в них, увеличению активного тока и, как следствие, к нарушению теплового баланса, перегреву варисторов и их преждевременной деградации. Этой проблеме также посвящен отдельный пункт книги.
При перенапряжениях активный ток через варисторы многократно превосходит емкостной ток, что исключает возможность неравномерного распределения напряжения вдоль колонки варисторов. Поэтому при выборе параметров ОПН, по условию ограничения перенапряжений, нс следует считаться с возможностью искажения равномерного распределения напряжения вдоль колонки варисторов.

Однако при этом возникает другая проблема. Повышенный ток через варисторы (до сотен и тысяч ампер при коммутационных перенапряжениях и до десятков килоампер при грозовых перенапряжениях) нарушает тепловой баланс, так как при этом накапливаемая варисторами тепловая энергия не успевает рассеяться в окружающую среду. Поэтому колонка варисторов должна иметь достаточную энергоемкость, чтобы после прекращения воздействия перенапряжения постепенно восстановить тепловой баланс и продолжить работу ОПН без повреждения.

 Различают варисторы пяти классов, соответствующих различным пропускным способностям по току Iк коммутационного импульса и разрядному току Iр грозового импульса. Соответствующие данные варисторов приведены в табл. 4.5. При этом площади Sв варисторов определены по формуле (4.14).

Таблица 4.5

Примечание При наличии отверстий в варисторах отмеченные звездочками диаметры соответственно увеличиваются

В третьей строке (табл. 4.5) приведены так называемые номинальные разрядные токи варисторов, являющиеся максимальными значениями импульсов токов через ОПН с длиной фронта 8 мкс и длиной импульса (до полуспада) 20 мкс (8/20 мкс), имитирующие воздействие грозовых импульсов тока, 20-кратное воздействие которых должны выдержать эти варисторы. В соответствии с данными табл. 3.25 эти максимальные значения импульсов многократно превосходят реальные грозовые импульсы тока в эксплуатации, но по длительности они значительно меньше реальных импульсов тока молнии отрицательной полярности (см. п. 1.4). Эти расхождения определяют необходимость согласования испытательных импульсов тока с реальными токами молнии в электроэнергетических сетях.
При заказе ограничителей перенапряжений задаются остающиеся напряжения при воздействии грозовых напряжений и коммутационных напряжений импульсов при соответствующих токах грозовых и коммутационных импульсов. Поэтому необходимо проверить соответствие остающихся напряжений при заданных токах грозовых и коммутационных перенапряжений и высоте колонки варисторов, выбранной согласно формуле (4.11) по условию обеспечения надежной работы при длительном воздействии напряжений
(4.15)
(4.16)
где            и Ев(/К) - градиенты напряжения варисторов при расчетных токах грозовых и коммутационных перенапряжений в соответствии с вольт-амперными характеристиками варисторов.
Если требования по остающимся напряжениям при грозовых и коммутационных перенапряжениях согласуются с вольт- амперными характеристиками варисторов, вычисленными по формулам (4.15) и (4.16), на этом выбор колонки варисторов заканчивается. Если вычисленные по формулам (4.15) и остающиеся напряжения больше заданных, то необходимо использовать варисторы большего класса (большего диаметра).

Следует отмстить, что при определении необходимой энергоемкости ОПН часто используется упрощенная методика расчета переходных процессов в электрических сетях без учета наличия ОПН, а необходимую энергоемкость ОПН определяют исходя из требования поглощения энергии электромагнитного поля линии для ограничения перенапряжений до уровня остающегося напряжения ОПН [58]. Такая методика приводит к существенному завышению необходимой энергоемкости ОПН, поскольку неограниченные ОПН перенапряжения значительно превышают возможные перенапряжения при наличии ОПН. Так, в работе [59] показано, что необходимая энергоемкость ОПН при ее оценке в результате расчетов, выполненных при отсутствии ОПН и при наличии ОПН, различается на порядок величин. При современном программном обеспечении выполнение расчетов перенапряжений в электрических сетях с учетом нелинейных характеристик ОПН вполне доступно на инженерном уровне, что подтверждено в работе [59].
Другая ошибочная позиция в отношении выбора параметров ОПН заключается в том. что предполагается возможность значительного повышения напряжения промышленной частоты в электрических сетях сверх нормированного наибольшего рабочего напряжения сети соответствующего класса напряжения [53]. При таком допущении рекомендуется увеличивать наибольшее рабочее напряжение ОПН по отношению к наибольшему рабочему напряжению сети, что приводит к повышению остающихся напряжений ОПН и соответственно существенно снижает эффективность использования ОПН. Возможность повышения напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения действительно существует при отсутствии в сетях необходимых регулируемых устройств компенсации избыточной реактивной мощности линий электропередачи. Однако это означает только, что в электрических сетях не выдерживаются нормы проектирования, поскольку при достаточном оснащении сетей регулируемыми устройствами избыточной реактивной мощности повышение напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения может быть полностью исключено, в том числе и в несимметричных режимах работы линий.