Ограничение перенапряжений

ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

1. Изоляция аппаратов высокого напряжения

1.1. Классы номинальных напряжений.

Одним из основных требований к аппаратам высокого напряжения (АВН) является надежная работа при напряжениях, достигающих многих сотен киловольт. Поэтому вопрос электрической прочности изоляции является одним из важнейших.
Для электрооборудования высокого напряжения переменного тока в России установлена шкала номинальных напряжений от 3 до 1150 кВ.

В соответствии с классом напряжения проектируются изоляционные конструкции, которые содержат внешнюю изоляцию, где изолирующей средой является атмосферный воздух, и внутреннюю, где изолирующей средой является газообразный, жидкий или твердый диэлектрик, а также вакуум.
Как для внутренней, так и для внешней изоляции возможны два вида нарушения электрической прочности изоляции:
электрический пробой промежутка между токоведущими частями, имеющими различный потенциал, или токоведущими и заземленными частями, например, между первичной и вторичной обмотками трансформатора тока, между контактами выключателя в их разомкнутом состоянии - внутренние перенапряжения (коммутационные);
перекрытие изоляции по поверхности, соединяющей эти части - внешние (атмосферные).
Первые возникают при коммутации электрических цепей (катушек индуктивности, конденсаторов, длинных линий). Они характеризуются относительно низкой частотой воздействующего напряжения (до 1000 Гц) и длительностью до 1 с. Электрическая прочность внутренней изоляции при пробое нарушается, как правило, необратимо. Вторые возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер воздействующих напряжений и малую длительность (десятки микросекунд). Электрическая прочность внешней изоляции после пробоя или перекрытия и быстрого отключения источника напряжения может восстановиться до исходного уровня. Поэтому изоляция и изоляционная конструкция рассчитываются и проектируются так, чтобы при повышении напряжения более вероятным было нарушение внешней изоляции, а не внутренней.
Изоляционная конструкция в процессе эксплуатации должна выдерживать длительное (десятки лет) воздействие наибольшего рабочего напряжения, а также кратковременные (от единиц до тысяч микросекунд) многократные воздействия возникающих в сети атмосферных (грозовых) и внутренних (коммутационных) перенапряжений. Габаритные размеры оборудования при этом получаются чрезмерно большими, так как перенапряжения могут быть в 6-8 раз больше номинального напряжения. С целью облегчения изоляции возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников и изоляцию оборудования выбирают по этому ограниченному значению перенапряжения.
Надежная работа изоляционных конструкций из фарфоровых и стеклянных изоляторов при длительном воздействии рабочего напряжения обеспечивается выбором соответствующей длины пути утечки (ГОСТ 9920-75). Под длиной утечки понимается наименьшее расстояние по поверхности изолирующей детали между металлическими частями (арматурой) разного потенциала. Электрооборудование в зависимости от длины пути утечки внешней изоляции разделяются на следующие категории исполнений: А -нормальная, Б - усиленная, В - особо усиленная.

1.2. Разновидности изоляционных материалов для АВН

В электрооборудовании высокого напряжения используют газообразные, жидкие и твердые изоляционные материалы.
Элегаз, или шестифтористая сера SF6 , находит все более широкое применение в АВН, что объясняется хорошими изоляционными, дугогасящими и теплоотводящими свойствами этой среды. До настоящего времени в конструкциях АВН находил применение элегаз в газообразном состоянии, однако в патентной литературе имеются описания АВН и на жидком элегазе.
Электрическая прочность элегаза, как и любого газа, зависит от давления, степени неоднородности электрического поля, состояния поверхности и материала электродов.
Электрическая прочность технически чистых масел зависит от концентрации и вида примесей, так как частицы примесей вызывают местные искажения электрического поля, а также образуют цепочки, вдоль которых облегчается развитие разряда. Главной из возможных примесей в
высокополимерные органические диэлектрики - винипласт, фторопласт, оргстекло;
электроизоляционные бумаги и картоны, в том числе фибра; слоистые электроизоляционные пластмассы - гетинакс, текстолит, стеклотекстолит;
- заливочные и пропиточные компаунды - битумные, эпоксидные, эпоксидно-полиэфирные;
электрокерамические материалы - фарфор, стеатит, кордиерит. Эти материалы используются для изготовления изоляционных корпусов аппаратов, дугогасительных камер, панелей, перегородок, тяг и других элементов конструкций. Они должны иметь высокий уровень электрической и механической прочности, работать в широком диапазоне изменения окружающей температуры, быть стойкими к химическим воздействиям, воздействию высокой температуры электрической дуги, удовлетворять ряду специфических требований.
Винипласт - материал на основе поливинилхлорида, термопластичен, хорошо сваривается, поддается механической обработке, стоек к химически активным средам, растворителям и маслам, негорюч. Температура его разложения 150°-160°С. При воздействии электрической дуги выделяет газы, способствующие её гашению.
Фторопласт имеет более высокую рабочую температуру, устойчив в интервале температур от -180° до +190°С; негорюч, химически стоек.
Оргстекло стойко к минеральным маслам, бензину, щелочам. При 80°-120°С материал размягчается, а при 250°-300°С разлагается. При воздействии электрической дуги генерирует газы.
Фибра - материал, получаемый прессованием листов бумаги, предварительно обработанных раствором хлористого цинка, поддается всем
технических маслах является вода, повышение концентрации которой выше растворяющей способности масла приводит к образованию эмульсии. Слияние отдельных капель и образование тончайших водяных каналов при некотором напряжении, приложенном к промежутку, приводит к сильному искажению электрического поля и снижению электрической прочности промежутка. Загрязнение масла в процессе эксплуатации продуктами воздействия дуги на масло и стенки ДУ, растворенными газами также существенно снижает его электрическую прочность.
При больших масляных промежутках из-за неоднородности электрического поля их электрическая прочность относительно невелика. Для повышения электрической прочности масляных промежутков используют покрытие и изолирование электродов твердой изоляцией, чаще всего слоями кабельной бумаги, а также барьеры из твёрдых диэлектриков. Такого вида изоляция встречается в конструкциях баковых масляных выключателей в конструкции ввода, недостатком которых являются большие габариты и масса.
Вводы с твердой изоляцией имеют меньшие габаритные размеры и массу. Недостатком таких вводов является необходимость применения бумаги и смол с высокими диэлектрическими характеристиками.
Разновидностью бумажно-масляного ввода является ввод конденсаторного типа, в котором в толщу изоляции закладываются электроды из металлической фольги таким образом, чтобы емкости частичных конденсаторов, создаваемых металлическими обкладками и слоем изоляции, были примерно равны.
Конденсаторная изоляция широко применяется в изоляции трансформаторов тока (ТТ).
В качестве твердых изоляционных материалов АВН используется множество диэлектриков:
видам механической обработки и штамповки, а также формовки после размягчения в горячей воде. Обладает газогенерирующими свойствами.
Слоистые электроизоляционные пластмассы выполняются на основе специальных сортов пропиточной бумаги (гетинакс), хлопчатобумажных (текстолит) и стеклянных (стеклотекстолит) тканей, древесины. В качестве связки применяются бакелитовые или кремнийорганические смолы, переведенные горячим прессованием в неплавкое и нерастворимое состояние.
Электрокерамические материалы получаются путем обжига исходных керамических масс на основе глины с добавками кварца, полевого пшата (электрофарфор), талька, углекислого бария или углекислого кальция (стеатит), электрокорунда (кордиерит). Все эти материалы имеют высокую стойкость к атмосферным воздействиям, негигроскопичны.
Пропиточные компаунды применяются для пропитки обмоток с целью повышения электрической и механической прочности междуслойной и витковой изоляции. А также улучшения отвода тепла от обмотки за счет ликвидации воздушных включений, снижения влагопоглощения, повышения монолитности и однородности конструкции.
Сам процесс пропитки предполагает проведение предварительных операций сушки, в том числе при вакууме, вакуумирования смолы, вакуумирования компаунда и собственно пропитки с применением среднего или глубокого вакуума.
Заливочный компаунд должен свободно заливаться в форму, иметь небольшую вязкость при заливке, составляющие компаунда должны хорошо совмещаться при перемешивании, компаунд должен иметь малую усадку.
Фарфор широко применяется в АВН для изготовления опорных и проходных изоляторов, покрышек, стержней, тяг. Обладая хорошими диэлектрическими свойствами, фарфор имеет невысокую механическую прочность, особенно при растяжении и изгибе.

2. Общие сведения о конструкциях разрядников

При работе электрических установок возникают напряжения, которые могут значительно превышать номинальные значения (перенапряжения). Эти перенапряжения могут пробить электрическую изоляцию элементов оборудования и вывести установку из строя. Чтобы избежать пробоя электрической изоляции, она должна выдерживать эти перенапряжения. Однако габаритные размеры оборудования получаются чрезмерно большими, т.к. перенапряжения могут быть в 6-8 раз больше номинального напряжения. С целью облегчения изоляции возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников и изоляцию оборудования выбирают по этому ограниченному значению перенапряжений.
Возникающие перенапряжения делят на две группы: внутренние (коммутационные) и внешние (атмосферные). Первые возникают при

Во время пробоя через разрядник протекает импульс тока.
Напряжение на разряднике при протекании импульса тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника.
После прохождения импульса тока искровой промежуток оказывается ионизированным и легко пробивается номинальным фазным напряжением. Возникает КЗ на землю, при котором через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим. Сопровождающий ток изменяется в широких пределах.
В эксплуатации находятся трубчатые и вентильные разрядники. Промышленность выпускает ОПН (ограничитель перенапряжения нелинейный).

Требования, предъявляемые к разрядникам:

1. Вольт-секундная характеристика разрядника должна идти ниже характеристики защищаемого объекта и должна быть пологой.
2. Искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированную электрическую прочность при промышленной частоте (50 Гц) и при импульсах.
3. Остающееся напряжение на разряднике, характеризующее его ограничивающую способность, не должно достигать опасных для изоляции оборудования значений.
4. Сопровождающий ток частотой 50 Гц должен отключаться за минимальное время.
5. Разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта.