Как указывалось в п. 4.1, одной из проблем, требующих разрешения при создании ОПН, является обеспечение равномерного распределения напряжения вдоль колонки варисторов. Причиной неравномерности распределения напряжения вдоль колонки варисторов является резкая неравномерность электрического поля, в которое помещается ОПН. Неравномерное поле создается высоковольтным электродом в виде провода, подходящего к ОПН, с одной стороны, и заземленной опорной конструкции в виде бетонной сваи и поверхности земли - с другой. В результате такого погружения колонки с равномерно распределенной продольной емкостью в сильно неоднородное поле часть тока, протекающего через колонку, ответвляется в окружающее пространство в виде тока смещения и достигает земли помимо колонки варисторов. Следовательно, через верхнюю часть варисторов протекает больший ток, чем через среднюю и нижнюю. Соответственно падение напряжения на верхней части колонки варисторов больше, чем на средней и на нижней. Чтобы оценить масштаб проблемы, сравним емкостный ток через продольную емкость колонки с током, оттекающим от колонки. Емкостный ток через колонку варисторов определяется формулой (4.1). Емкостный ток с поверхности колонки на землю может быть оценен по формуле
(4.28) где Uфср=
- среднее напряжение вдоль колонки; С - емкость поверхности колонки относительно земли,
(4.29)
Н - полная высота ОПН, включая металлические проставки в столбе варисторов и пружины; h0 - высота заземленной опоры; dв- диаметр варисторов.
Отношение тока с поверхности колонки на землю, согласно формуле (4.28), к сквозному току через варисторы колонки, согласно формуле (4.1),
(4.30)
Результаты вычислений по формуле (4.30) для типовых ОПН разных классов напряжения при диаметрах варисторов согласно табл. 4.1 и 4.2, высоте колонки варисторов согласно табл. 4.3, высоте заземленной опоры ОПН Ло = 2,5 м и высоте ОПН с учетом конструктивного исполнения ОПН (см. рис. 4.2 и 4.5) приведены в табл. 4.11.
Из приведенных данных следует, что с увеличением класса напряжения относительное значение стекающего с колонок ОПН емкостного тока быстро увеличивается и для классов напряжения сети 330 кВ и выше превосходит сквозной ток через ОПН. Соответственно увеличивается степень неравномерности распределения напряжения вдоль колонки варисторов. Повышение напряжения на варисторах верхней части колонки приводит к увеличению тока через них, их перегреву и преждевременному повреждению.
Таблица 4.11
Примечание: *- одноколонковое исполнение; ** - многоколонковое исполнение
Поэтому необходимо применять меры для ограничения степени неравномерности распределения напряжения вдоль колонки варисторов. Следует отметить, что емкостный ток не только стекает с колонки варисторов на землю, но и подтекает с высоковольтного электрода. Однако емкость колонки варисторов относительно высоковольтного электрода (проводов присоединения) значительно меньше, чем ее емкость относительно земли: примерно вдвое соответственно различию емкости цилиндрического тела относительно земли и взаимной емкости двух цилиндрических тел. Поэтому подтекающий от высоковольтного электрода емкостный ток не компенсирует оттекающий емкостный ток на землю. Тем не менее подтекающий от высоковольтного электрода к колонке варисторов ток вызывает повышение падения напряжения на варисторах вблизи заземленного конца ОПН.
Следует отметить также, что увеличение эквивалентного диаметра колонки варисторов многоколонковых ОПН приводит к увеличению емкостных токов с поверхности варисторов и соответственно к более неравномерному распределению напряжения вдоль колонки со всеми вытекающими последствиями. В качестве примера в табл. 4.11 приведены данные для четырехколонкового ОПН-110 кВ и 30-колонкового ОПН-750 кВ производства Корниловского фарфорового завода.
Для выравнивания распределения напряжения вдоль колонки варисторов необходимо уменьшить отток тока от их поверхности вблизи высоковольтного конца ОПН и уменьшить приток тока вблизи заземленного конца ОПН. Такой результат может быть достигнут путем установки тороидальных экранов соосных с колонкой варисторов: одного экрана, связанного с высоковольтным выводом ограничителя, на расстоянии ΔΗ от него и второго, заземленного на расстоянии Δh от нижнего вывода (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Расчетные схемы расположения экранов ОПН: а - при двухтороидах; б - при трех тороидах
Напряженность электрического поля отдельного тороидального экрана изменяется вдоль его оси симметрии z согласно соотношению [15]:
Если поместить колонку варисторов в однородное внешнее поле, когда потенциал внешнего поля вдоль оси колонки будет распределяться равномерно, то очевидно, что погружение колонки варисторов в такое поле не приведет к изменению распределения потенциала. Следовательно, задача заключается в том, чтобы подобрать такую систему тороидальных экранов, которая обеспечивает равномерное распределение потенциала вдоль оси симметрии тороидов на отрезке этой оси, равном высоте колонки варисторов.
(4.31)
где z отсчитывается от плоскости симметрии тороидального экрана; Ro - радиус осевой линии тороида.
Соответственно потенциал, создаваемый зарядом тороида, изменяется вдоль оси z согласно соотношению [15]:
(4.32)
Согласно формулам (4.31), (4.32), потенциал на оси z от тороида имеет максимум при z=0, т.е. в плоскости симметрии тороида, и убывает в обе стороны от плоскости симметрии тороида.
Напротив, напряженность электрического поля тороида равна нулю при z=0 и нарастает одинаково в обе стороны от плоскости симметрии тороида, достигая максимума при
поскольку заряд тороида
(4.34)
Следовательно, максимальная напряженность электрического поля на оси экрана пропорциональна напряжению на тороиде и обратно пропорциональна радиусу круговой осевой линии тороида и натуральному логарифму отношения RJr0, где r0 - радиус трубы тороида.
Формулы (4.31), (4.32), (4.34) позволяют сделать вывод о невозможности создания однородного электрического поля с помощью одного экрана. Однако с помощью системы экранов это оказывается возможным. При этом следует обратить внимание на то, что максимум потенциала тороида на оси ζ (достигаемый при z=0), согласно формулам (4.32), (4.34),
(4.35) меньше напряжения U на экране приблизительно на 30%, поскольку оптимальный диапазон изменения отношения Ro/ro составляет 10≤Ro/ro≤ 20.
Таблица 4/12
Используя приведенные выше соотношения, найдем систему тороидальных экранов, обеспечивающих равномерное распределение потенциала вдоль колонки варисторов ОПН. Определим радиус круговой осевой линии тороидального экрана, имеющего потенциал высоковольтного вывода ОПНп, исходя из равенства максимальной напряженности тороида, согласно формуле (4.33), средней напряженности поля вдоль колонки варисторов ECf = U/H:
(4.36)
При изменении отношения Ro/ro необходимое отношение Ro/H изменяется (табл. 4.12).
Из табл. 4.12 видно, что при увеличении отношения RJr0 необходимое отношение Ro/H уменьшается. Это означает, что при заданной высоте колонки ОПНн необходимый размер осевой линии тороида уменьшается. При этом уменьшается и максимум напряжения в месте расположения тороида. Очевидно, что наиболее равномерное распределение потенциала внешнего поля вдоль колонки варисторов соответствует расположению тороида на относительной высоте z/H, совпадающей с относительным максимальным потенциалом тороида на его оси симметрии (рис. 4.11).
Согласно формулам (4.32), (4.34), распределение потенциала вдоль оси z тороида, отсчитываемой от его плоскости симметрии, определяется формулой
(4.37)
Рис. 4.11. Распределение потенциала внешнего поля вдоль оси ОПН при использовании одного тороида с отношением Ro/ro=10 (1), Ro/ro=15 (2), Ro/ro=20 (3) и при равномерном распределении потенциала (4)
Результаты вычислений по формуле (4.37) приведены на рис. 4.11, на котором видно, что эти распределения плохо согласуются с равномерным распределением. Очевидно, что необходима установка экрана на потенциале земли для уменьшения потенциала внешнего поля вблизи заземленного конца ОПН. Кроме того, необходимо отметить, что при использовании одного экрана его оптимальное положение слишком низко, что приводит к значительному сокращению изоляционного расстояния между экраном и землей. Увеличить потенциал внешнего поля на оси ОПН можно при установке дополнительного тороидального экрана на уровне верхнего окончания ОПН.
Таким образом, необходимо рассмотреть в качестве источника внешнего поля систему из трех тороидов: первого с наибольшим радиусом /?01 в средней части ОПН, второго с меньшим радиусом R02 на высоте H и третьего с радиусом R03 в нижней части ОПН. При этом положение большого экрана должно быть определено путем оптимизационных расчетов, основанных на отыскании такого положения большого экрана, при котором потенциал колонки варисторов, создаваемый внешним полем, отвечает равномерному распределению потенциала.
