Π2. Характеристики высоконелинейных керамических резисторов и нелинейных ограничителей перенапряжений
Освоенные промышленностью высоконелинейные керамические резисторы на основе окиси цинка [15] представляют собой диски диаметром 28 и высотой 8 мм. Торцы дисков металлизированы и служат контактами резисторов.
Резисторы обладают активной и емкостной проводимостью. Активная проводимость резисторов зависит от значения приложенного к ним напряжения, емкостная проводимость зависит от значения и частоты напряжения.
Рис. 111. Вольт-амперная характеристика высоконелинейного резистора
1 — при 20° С, 2 — при 100° С, 3 — при 150° С
При длительном протекании тока резистор нагревается и его сопротивление изменяется. Поэтому при определении характеристик резисторов с целью получения стабильных данных следует производить измерения при «нулевом» выделении энергии, когда длительность приложения напряжения столь мала, что резистор не успевает нагреться.
Резисторы классифицируют по напряжению при постоянном токе 1 мА, определяемому при нулевом выделении энергии; и маркируют числами 8; 8,5; 9 и т. д. Каждое число представляет собой условное обозначение напряжения, превышающего это число в сто раз, т. е. 800 В; 850 В; 900 В и т. д. Класс резисторов включает в себя резисторы с напряжением при токе 1 мА в пределах от величины, соответствующей данному классу, до нижнего уровня напряжения следующего класса. В нелинейных ограничителях перенапряжений применяются резисторы 8—12-го классов напряжения.
Вольт-амперные характеристики резисторов на постоянном токе и при коротких импульсах приведены на рис. П1. В диапазоне токов 10-7—10-2 А ВАХ определены на постоянном токе, при больших значениях тока, до 3 кА — на импульсах 8/20 мкс.
ВАХ резисторов не зависит от полярности приложенного напряжения. В пределах 8—12-го классов ВАХ резисторов от класса напряжения зависит довольно слабо. Нелинейность резисторов достигает максимальных значений в диапазоне токов 10-4—102 А.
Если характеризовать нелинейность резисторов показателем степени v в уравнении U = АГ (в котором U — напряжение, а I — ток), v в указанном диапазоне токов имеет значения 0,02—0,04. При увеличении или уменьшении тока вне этих пределов v увеличивается и достигает 0,1 при токах порядка 10-6 А и 103 А.
Для практических целей ВАХ резисторов целесообразно представлять как отношение напряжения при данном токе к напряжению при заданном значении тока. В качестве последнего принимается напряжение при токе 1 мА U1мА, характеризующее класс напряжения, или остающееся напряжение при токе 100 А U100Α, определяющее уровень ограничения коммутационных перенапряжений защитным аппаратом. Отношения напряжений приведены в табл. П5.
Таблица П5
В таблице указаны значения ν для разных диапазонов тока. С увеличением тока, протекающего через резистор, на 6 порядков, с 10-4 до 102 А, на нем напряжение возрастает на 40%. В указанном диапазоне токов высоконелинейные резисторы используются наиболее эффективно.
На рис. П1 наряду с ВАХ при комнатной температуре (кривая 1) изображены ВАХ при 100 и 150° С (кривые 2 и 3 соответственно). Из рисунка видно, что температурная зависимость становится заметной при токах, меньших 10 мА; с повышением температуры температурный коэффициент тока (ТКУ) резисторов возрастает. ТКI отдельных резисторов подвержен статистическому разбросу. Так, ТКI измеренный при начальном значении постоянного тока 1 мА в интервале температур 20—70° С, характеризуется средним значением 0,2%/К и максимальным (1,0—1,5)%/К. При начальном токе 0,1 мА ТК/ доходит до 2—3%/К.
При токах от 1 до 3· 103 А и в интервале температур от —40 до + 150° С температурный коэффициент напряжения резисторов не превышает погрешности измерений (0,03%/К).
При уменьшении фронта волны с 8 до 3 мкс напряжение на резисторах возрастает не более чем на 2—3%.
При синусоидальном напряжении промышленной частоты кривая тока, протекающего через резистор, существенно отличается от синусоиды. При достаточно низком уровне приложенного напряжения, когда его амплитуда примерно равна напряжению на резисторе при токе 0,1 мА, кривая тока принимает вид, изображенный на рис. П2, а. Через резистор протекает ток, сдвинутый почти на 90° по отношению к напряжению: в основном емкостный ток*. Емкость резистора составляет примерно 1000 пФ. При большем уровне напряжения, когда ток равен 0,3—0,5 мА, в кривой тока различают два максимума: совпадающий по фазе с максимумом напряжения (активная составляющая) и сдвинутый вперед по фазе на 90° по отношению к максимуму напряжения (емкостная составляющая), см. рис. П2, б.
* Приведенная осциллограмма характерна для режима длительного рабочего напряжения, равного наибольшему напряжению сети.
Рис. П2. Осциллограмма напряжения и и тока i, протекающего через высоконелинейный резистор
а — при Iт = 0,2 мА, б — при Iт = 0,4 мА, в — при I= 5 мА
С ростом напряжения амплитуда
емкостного тока возрастает в относительно меньшей степени, амплитуда активного тока увеличивается быстрее и становится определяющей при токе 1 мА и более (рис. П2, в).
При увеличении частоты от 50 до 107 Гц диэлектрическая проницаемость материала резистора уменьшается на 10—20%.
Пропускная способность резисторов. При коротких импульсах (8/20 мкс) резисторы выдерживают не менее 20 раз ток с амплитудой 3 кА. На прямоугольной волне 2 мс резисторы с градиентами напряжения 1,6—1,8 кВ/см выдерживают не менее 20 воздействий нагрузочного тока 100 А. В случае импульсной волны 3/8 мс пробивной ток резисторов на 40—45% меньше, чем при прямоугольной волне длительностью 2 мс. Пробивной ток оксидно-цинковых резисторов, как и карбидно-кремниевых, уменьшается с повышением их сопротивления.
Зависимость между пробивным током I и количеством воздействий N импульсов тока заданной формы определяется эмпирической формулой IkN = const, где k составляет 2—2,2 для грозовых импульсов тока и 3,2—4 для коммутационных.
Стабильность резисторов. При импульсных токах 8/20 мкс с амплитудой 1000 А влияние количества воздействий на остающееся напряжение резисторов при токах 0,1 мА и более не обнаружено. При импульсных токах той же волны с амплитудой 3 кА с увеличением количества воздействий остающиеся напряжения на резисторах при малых токах понижаются. В продолжение первых 20—40 воздействий U0,1мА снижается на 8%, U1мА — на 2 — 3%. В дальнейшем остающиеся напряжения становятся практически стабильными. После 60 воздействий импульсов тока 1,5/2,3 мс с амплитудой 60 А, исчерпывающих расчетный ресурс пропускной способности резисторов, изменение U0,1мА не превышает 4%, а изменение U 1мА — 2%.
На переменном токе работоспособность резисторов сохраняется при амплитуде тока проводимости промышленной частоты до 0,7—0,8 мА (действующее значение тока 0,35—0,4 мА) и при температуре резисторов в длительном режиме до 70—80° С.
Когда через резистор длительно протекает ток с амплитудой более 1 мА, проводимость резистора ускоренно возрастает, что может привести к нарушению теплового равновесия аппарата. Когда же относительно большой ток длится ограниченное время, в течение которого резистор нагревается до температуры, не превышающей примерно 110° С, а затем ток снижается до допустимого уровня в длительном режиме, резистор входит в состояние теплового равновесия и в дальнейшем его стабильность не нарушается.
Характеристики нелинейных ограничителей перенапряжений.
Основные защитные характеристики аппаратов, выполненных на основе высоконелинейных резисторов, приведены в табл. П6. Ограничители перенапряжений не содержат последовательно включенных искровых промежутков.
Из показателей таблицы видно, что уровень ограничения коммутационных перенапряжений аппаратами разных классов напряжения составляет (1,65—1,8) Uф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений уменьшается по мере роста номинального напряжения аппарата. Этот уровень составляет (2,2—2,4) Uф для ограничителя перенапряжений на 110 кВ и снижается до 2 Uф для аппарата на 750 кВ. В таблице приведены допустимые значения резонансных перенапряжений и их длительность, а также пропускная способность аппаратов разных классов напряжения.
В соответствии с пропускной способностью число параллельных колонок резисторов в аппарате варьируется от 4 в ограничителе перенапряжений на 110 кВ до 30—в аппарате на 750 кВ.
По высоте ограничители перенапряжений близки к опорным изоляционным колоннам соответствующего класса напряжения.
Опытная эксплуатация нелинейных ограничителей перенапряжений.
Первые три фазы нелинейных ограничителей перенапряжений на 110 кВ с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 2,1 Uф установлены в открытом распредустройстве 110 кВ Ленэнерго в 1974 г. В следующем году три фазы ограничителей перенапряжений на 220 кВ с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 1,65 Uф прошли сетевые испытания в открытом распредустройстве 220 кВ Ленэнерго, в процессе которых было выполнено 345 фазокоммутаций. При этом число токовых воздействий на ограничители перенапряжений длительностью от 50 до 100 мкс и амплитудой от 5 до 300 А составило для отдельных фаз 21—27. После этих испытаний в 1976 г. ограничители перенапряжений были включены под длительное рабочее напряжение. Общий вид ограничителей перенапряжений 220 кВ на подстанции Ленэнерго показан на рис. П3. С начала 1977 г. введены в опытную эксплуатацию 3 фазы ОПН-110 с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 1,65 Uф в ЗРУ Ленэнерго и 9 фаз ОПН-220 с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 1,8 Uф в ЗРУ Вилюйской ГЭС. На очереди включение 15 фаз ОПН-220 на Зейской ГЭС.
Ограничители перенапряжений могут быть применены в качестве опорных изоляционных колонн на подстанциях или как опорные колонны разъединителей.
Рис. П3. Нелинейные ограничители перенапряжений ОПН-220 на подстанции
Использование новых защитных аппаратов взамен вентильных разрядников обеспечивает технически рациональное и экономически эффективное решение ряда проблем передачи и распределения электрической энергии, в том числе:
существенное сокращение габаритов ЗРУ, что особенно важно для районов с суровыми климатическими условиями, с повышенным загрязнением воздушной среды, со сложным рельефом местности, на стесненных площадках промышленных предприятий и для больших городов;
уменьшение междуфазовых габаритов открытых РУ; значительное снижение технических требований к изоляции электропередач в трубах с газовой изоляцией и к герметизированным РУ;
увеличение длины гирлянды изоляторов в загрязненных районах и перевод отдельных линий на более высокое номинальное напряжение без переделки опор ВЛ; прокладка высокогорных линий электропередачи с обычными габаритами и изоляцией;
снижение перенапряжений в электропередачах и на его основе повышение эксплуатационной надежности работы изоляции трансформаторов и другого электрооборудования, а также снижение испытательных напряжений аппаратов и трансформаторов.
