Выбор, испытание и применение металлооксидных ОПН в сетях СН - Особые случаи

13.    Особые случаи
С одной стороны, защитное расстояние ограничителя является, в некоторых случаях, недостаточно большим. Это относится, главным образом, к электрическому оборудованию большой емкости на подстанциях высокого напряжения и к тому оборудованию, которое присоединено к линии с деревянными опорами (смотри Рис. 8). С другой стороны, группы электрического оборудования на подстанции редко размещены близко друг к другу. Обычно они размещаются порознь так, что один ограничитель не может одновременно защитить несколько групп электрического оборудования. В этих условиях каждая единица электрического оборудования требует отдельного комплекта ограничителей (один ограничитель на каждую фазу).

13.1    Защита от перенапряжений кабельных линий

Существенным различием между электрическими параметрами воздушных линий и кабелей является волновое сопротивление их проводников. Значения для воздушных линий электропередачи составляют приблизительно от 300 до 450 Ом, и для кабелей - в диапазоне от 20 до 60 Ом. Прежде всего, это различие служит причиной уменьшения грозового перенапряжения, как только блуждающая волна достигает кабельного ввода. Уменьшенная волна напряжения движется к концу кабеля и отражается, так что напряжение в конце кабеля почти удваивается. Затем волна возвращается к вводу кабеля, где отражается еще раз, и т.д. Таким образом, перенапряжение в кабеле создается постепенно. Хотя крутизна перенапряжения в кабеле фактически ниже, максимальное значение приближается к значению грозового перенапряжения на линии.
Перекрытие на землю системы шин или провода линии в подавляющем большинстве случаев приводит к кратковременным отключениям. Они крайне редко вызывают серьезные повреждения. В кабелях поведение перекрытия совершенно отлично. Перекрытия в изоляции кабеля вызывают ее повреждение, что требует серьезного ремонта. Перекрытия в концевых кабельных муфтах также могут повреждать их и вызывать те же повреждения, что и при перекрытии изоляции. Следовательно, к кабелям нужно относиться как к оборудованию подстанций и защищать их от грозовых перенапряжений с помощью ограничителей.
Ограничители должны располагаться непосредственно возле концевой муфты кабеля. Связи должны быть по возможности короче. Необходимо отметить, что заземление ограничителя должно быть присоединено к оболочке кабеля. Кабели большой длины требуют защиты ограничителями с 1зрЪих концов. Для кабельных линий, в некоторых случаях, достаточна односторонняя защита, поскольку ограничитель только в одном конце кабеля способен обеспечить достаточную защиту от грозовых перенапряжений и другому его концу.
Кабель, который соединяет воздушную линию с подстанцией, часто подвержен опасности удара молнии только со стороны линии. Поэтому ограничитель должен быть установлен на линии в месте перехода к кабелю. Второй ограничитель на другом конце кабеля не нужен, пока длина кабеля Lk не превышает значения в левой части Таблицы 5. На первый взгляд, можно сказать, что в сети 3.6 кВ Lk не ограничена, из-за относительно высокого BIL 13.6 у. е. в сетях этого напряжения. Ограничитель на стороне линии (в начале кабеля) ограничивает перенапряжение приблизительно до 4 у. е.
В результате отражений напряжения в кабеле, перенапряжение в другом конце кабеля выше, но не достигает 10 у. е. На этом уровне перенапряжение безопасно для кабеля, но не для подстанционного оборудования. Здесь дополнительные отражения напряжения могут увеличить перенапряжение так, что необходимо предусмотреть защиту, то есть ограничители. Максимальная допустимая длина кабелей с односторонней защитой для МО ограничителей больше, чем для вентильных разрядников, что основано на более благоприятных свойствах защиты металлоксидных ограничителей перенапряжений, которые начинают проводить ток прежде, чем достигнуто Up.

Тип ограничителя с Up - 4 у. е. при 1П - 10 кА.
		ОПН установлен в начале кабеля				ОПН установлен в конце кабеля
Тип линии		Деревянные опоры		С заземленными траверсами		Деревянные опоры		С заземленными траверсами
Тип ограничителя		МО	SiC	МО	SiC	МО	SiC	МО	SiC
um (кВ)	Zk (Ом)	k (м)	k (м)	k (м)	Lk (м)	k (м)	k (м)	k (м)	k (м)
3.6	30	00	ОО	оо	оо	8	8	19	19
3.6	60	оо	оо	оо	оо	4	4	13	13
7.2	30	85	62	110	60	11	11	27	22
7.2	60	75	40	100	38	5	5	17	17
12	30	45	25	50	23	8	8	22	14
12	60	33	17	39	16	4	4	16	11
17.5	30	35	15	36	14	6	6	19	10
17.5	60	27	11	30	11	3	3	15	8
24	30	34	14	36	13	9	9	21	9
24	60	27	И	30	10	4	4	17	8
36	30	30	8	30	7	7	7	19	6
36	60	24	7	26	6	4	4	17	5

Таблица 5: Максимально допустимая длина L кабельных линий, защищенных ограничителем с одной стороны. Кабель присоединен к линии, подверженной опасности удара молнии.
Длина связи между ограничителем и кабелем 1 метр. Zk:    Волновое сопротивление кабеля МО: Металлоксидный ограничитель SiC: Вентильный разрядник
Кабельные вставки, соединенные с воздушными линиями с обоих концов, естественно подвержены опасности удара молнии с обеих сторон. Необходимо принимать во внимание то, что для кабелей с односторонней защитой, перенапряжение может также прибыть с незащищенной стороны.

В этом случае, эффективность защиты ограничителя на другом конце была бы сильно уменьшена. Поэтому допустимая длина кабелей, объединенных с воздушными линиями при односторонней защите - меньше. Длина кабелей, соединенных с линиями на деревянных опорах, еще меньше, что видно из Таблицы 5. Обозначенные значения для Lk принадлежат ограничителям с 1П=10 к А. Волновое сопротивление вдоль всего кабеля должно быть постоянно, тогда отражения напряжения не приведут к уменьшению Lk. Так обстоит дело, например, при соединении кабелей или при соединении трассы кабеля, состоящей из одного кабеля, с трассой, состоящей из двух параллельных кабелей.

13.2   Защита кабельных оболочек

По тепловым причинам оболочка для одножильных кабелей в основном заземлена с одной стороны. При данных обстоятельствах оболочка на незаземленной стороне может брать на себя до 50 % максимального значения перенапряжения на внутренней жиле. Изоляция оболочки не может выдержать такое перенапряжение. Может произойти мгновенное перекрытие между оболочкой и землей, повреждая внешнюю изоляцию оболочки. Поэтому, кабель с незаземленной оболочкой должен быть защищен от грозовых перенапряжений ограничителем [2]. Специальный тип ограничителя MVR производства ABB лучше всего подходит для этой цели.
Напряжение, наведенное на оболочке кабеля при коротком замыкании, определяет выбор Uc ограничителя. Согласно [19], оно достигает максимума 0.3 кВ на 1 кА тока короткого замыкания и 1 км длины кабеля. Когда Т=1.28 и продолжительность тока короткого замыкания составляет t < 3 с, следуют такие результаты:
U(c)>0.24xIkxLk вкВ,
1к:     максимальный ток короткого замыкания 50 Гц в кА;
lk:    длина незаземленной кабельной линии в км.

13.3   Трансформаторы в конце кабелей

Согласно схеме на Рис. 11, кабель по крайней мере 100 м длины соединен на одном конце с линией, подверженной опасности удара молнии. На другом конце система шин, состоящая из секций "а" и "b," соединяет конец кабеля с трансформатором. Ограничитель А1 предназначен для защиты от перенапряжений на стороне линии. Конец кабеля и трансформатор должны быть защищены каждый дополнительным ограничителем, когда расстояние между обоими слишком велико. Ниже описано, при каких обстоятельствах ограничитель А2 представляет достаточную защиту от перенапряжений в дополнение к ограничителю А1.

Рис. 11 Трансформатор в конце кабеля
F:      линия, подверженная опасности удара молнии;
U:     грозовое перенапряжение;
К:     длинный кабель;
А1,А2: ограничители;
а, b:  длина соединяющих линий;

U ut: MV: LV:

максимальное напряжение в кабеле;
максимальное напряжение на трансформаторе;
сторона среднего напряжения;
сторона низкого напряжения. Отражение перенапряжения U в точке соединения линии с кабелем дела ет волну перенапряжения в кабеле значительно более пологой. Однако, это фактически не влияет на допустимую длину связи "b", потому что с увеличением длины "b" напряжение UK увеличивается очень быстро. Оптимальная защита от перенапряжений поэтому требует, чтобы ограничитель А2 был помещен так близко, насколько это возможно к концу кабеля, чтобы сократить расстояние "b" (смотри раздел 13.1.).

металлоксидный ограничитель перенапряжений с Up - 4 у. е при 1П - 10 кА	Деревянные опоры		Заземленные траверсы
Zk [Ом]	30	60	30	60
Um [кВ]	а[м]	а[м]	а[м]	а [м]
3.6	100	100	500	500
7.2	45	40	60	55
12	17	12	22	15
17.5	13	9	18	И
24	15	9	20	13
36	7	6	18	И

Таблица 6. Максимально допустимое расстояние а между окончанием кабеля и трансформатором согласно Рис. 11 при b=0.

Кабель подключен к линии, подверженной опасности удара молнии и защищен металлоксидного ограничителя перенапряжениями с обоих сторон. Трансформатор не имеет дополнительной защиты ограничителями.
Zk: Волновое сопротивление кабеля.
Длина секции линии "а" может быть разной. UT увеличивается медленней с увеличением длины "а". Поэтому, трансформатор соответственно защищен даже на относительно большом расстоянии от ограничителя. Максимально допустимые значения для "а" приведены в Таблице 6. Емкость трансформатора принимают равной 2 nF. Более низкие значения приводят к увеличению расстояния "а".

13.4   Трансформатор, присоединенный к линии, подверженной опасности удара молнии только с одной стороны

Обычно, все существующие трансформаторы, которые непосредственно связаны с линиями, подверженными опасности удара молнии, должны быть оборудованы ограничителями между фазой и землей. Если трансформатор соединяет высоковольтную сеть с сетью среднего напряжения, и только высоковольтная линия подвержена опасности удара молнии, там требуются ограничители. Поскольку перенапряжения происходят очень быстро, до 40 % перенапряжения на стороне высокого напряжения способно емкостным путем перейти на сторону среднего напряжения через трансформатор [10]. Поэтому, часто необходимо предусмотреть защиту от перенапряжений для трансформатора и на стороне СН, даже если грозовые перенапряжения не происходят на стороне СН, согласно вышеупомянутым предположениям. Согласно [9J, этой защитой от перенапряжений может являться длинный кабель СН, низкоиндуктивный конденсатор или комбинацией из этих двух элементов. Они должны быть связаны так близко, насколько это возможно с вводами СН трансформатора, и вместе обладать емкостью не менее 50 nF на фазу.
Защита от перенапряжений может быть выполнена СН ОПН. Это решение имеет два существенных преимущества. Первым, должно быть отмечено, что индуктивно переданное перенапряжение может быть увеличено конденсатором. Тщательно подобранные демпферные резисторы, включенные последовательно к конденсаторам, делают возможным частичное уменьшение этого дополнительного напряжения на трансформаторах. При использовании металлоксидного ограничителя перенапряжений без искровых промежутков такое увеличение напряжения вообще не имеет места.
Во вторых, в случае пробоя трансформатора, первичное напряжение со стороны ВН воздействует на сторону СН в трансформаторе и может привести там к дополнительным повреждениям. Когда сторона СН защищена ограничителями, ограничитель жертвует собой, создавая короткое замыкание на землю, и снижая тем  самым степень повреждения трансформатора. Преимущество ограничителя по сравнению с конденсатором особенно очевидно, когда трансформатор связан с генератором, и ограничитель защищает генератор от последующего повреждения.
Подобная ситуация справедлива и для распределительного трансформатора, который соединяет сеть среднего напряжения с низковольтной сетью. Опять же, грозовое перенапряжение от сети среднего напряжения по емкости передается через трансформатор низковольтной стороне. Поэтому, ограничители на стороне низкого напряжения необходимы даже тогда, когда подверженной опасности удара молнии является только сторона СН.
С другой стороны, если опасности подвержена только сторона низкого напряжения, ограничители на стороне СН чаще всего не устанавливаются. В этом случае считают, что ограничитель низкой стороны может соответственно защитить также и сторону СН от перенапряжения, прибывающего со стороны НН. Несколько случаев отказов трансформаторов, вызванных грозовым перенапряжением на стороне 415 вольт, приведены в [20]. Авторы считают, что эти перенапряжения, когда они имеют большие продолжительности, переданы индуктивно с учетом коэффициента трансформации на сторону 11 кВ. В любом случае, ограничители на стороне 415 вольт были неспособны предотвратить перекрытия на стороне 11 кВ. Поэтому в областях с высокой грозовой активностью рекомендуется устанавливать ограничители на стороне СН трансформатора.

13.5   Ограничители в закрытых распредустройствах среднего напряжения.

Часто необходимо разместить ограничители в металлических подстанциях (КРУ). Если кабель соединяет ячейку с линией, подверженной опасности удара молнии, номинальный разрядный ток ограничителя, установленного в концевой воронке кабеля, в ячейке, должен быть 10 к А. Напряжение на ограничителе может достигать Up. Чтобы предотвратить перекрытия в ячейке, должны соблюдаться рекомендуемые поставщиком минимальные расстояния между ограничителями, а также между ограничителями и землей.
Другая ситуация складывается, когда ограничители должны больше сдерживать коммутационные перенапряжения, чем перенапряжения грозовые. Коммутационные перенапряжения могут происходить во время переключения, когда индуктивный ток прерывается прежде, чем достигает естественного прохождении через нуль. В этом случае ток нагрузки через ограничитель очень низок, так что при выборе ограничителя достаточно номинального разрядного тока 5 кА. При этом максимальное напряжение для металлоксидных ограничителей перенапряжений значительно ниже, чем Up. Поэтому, допустимы более короткие расстояния между ограничителями, а также между ограничителем и землей, для удобства установки ограничителей в ячейках. Более низкие значения для этих расстояний предписаны в соответствующих инструкциях и достаточны для металлоксидных ограничителей.

Максимальное напряжение для разрядников с искровыми промежутками достигает Up также во время коммутационных перенапряжений. Минимальные расстояния для этих разрядников должны поэтому быть большие, чтобы предотвратить перекрытия. Это делает установку разрядников в ячейках значительно более сложной, особенно в условиях ограниченного пространства.
13.6   Генератор, присоединенный к
распределительной линии, подверженной опасности удара молнии.
Защита от перенапряжения достигается с помощью ограничителя, помещенного между фазой и землей. Если нагруженный генератор внезапно отключить от сети, напряжение на выводах будет расти пока регулятор напряжения не скорректирует его через несколько секунд. Отношение между этим кратковременным перенапряжением и нормальным рабочим напряжением называют коэффициентом сброса нагрузки $L.
Этот коэффициент может достигать значения до 1.5. В большинстве случаев, ограничители могут быть подвержены кратковременному перенапряжению UTOV = &LxUm, которое должно приниматься во внимание при выборе ис.

Продолжительность t UTOV определяет Т и лежит в диапазоне от 3 до 10 секунд. В следующем примере определяется UC типов ограничителей MWB или MWK:
U   = 14 кВ, 0, -1,4,
m                       ь
t=10 с, Т=1.25 (из Рис. 3)
Uc >1.4Х 14 кВ/1.25 = 15.7 кВ.
Требуется тип ограничителя MWB 16 или MWK 16. Их Uc равен 16 кВ и уровень ограничения при 1п составляет 52 кВ.
Высокие эксплуатационные требования безопасности для генераторов делают желательным использование ограничителей с возможно более низким уровнем ограничения. Поэтому для защиты генератора рекомендуется специальная серия MWA. Они обладают не только более низким уровнем ограничения, но и в то же самое время большим Т.

Тип ограничителя MWA 15 является достаточным. Его уровень ограничения при 1п составляет 43.3 кВ. Этот специальный ограничитель гарантирует на 16 % более низкий уровень ограничения. Кроме того, этот ограничитель также имеет преимущества в отношении эксплуатационной безопасности благодаря существенно более высокой поглощающей способности (см. Таблицу 3).
Генераторы имеют большую емкость между фазой и землей. Как видно из , Рис. 8, эта емкость приводит к значительному сокращению защитного расстояния ограничителя. Поэтому особенно важно размещать ограничители ближе к генератору.

13.7   Защита двигателей

Высоковольтные двигатели могут быть перегружены повторными запусками при отключениях во время разгона. Это справедливо, когда ток отключения меньше, чем 600 А. Чтобы защитить эти двигатели, рекомендуется чтобы ограничитель перенапряжений был размещен непосредственно у выводов двигателя или, как альтернатива, у автоматического выключателя. Выбор Uc, согласно рекомендациям, описан в Разделе 6.
В отдельных случаях, например, при состаренной изоляции обмоток, становится необходимым дополнительно уменьшить уровень ограничения ограничителя. Один способ выполнения этого состоит в том, чтобы уменьшить Uc. Эта процедура может быть оправдана только, когда кратковременные перенапряжения, стандартные для Uc, происходят очень редко, преднамеренно принимая во внимание тот факт, что в таких редких случаях ограничитель мог бы перегрузиться. В результате недостатки, такие как перерывы в работе и замена ограничителя, перекрываются преимуществами более надежной защиты от перенапряжений. Однако, нельзя выбирать Uc менее, чем

Однако, такое уменьшение Uc не рекомендуется для генератора. Существует риск, что это может стать причиной короткого замыкания между двумя фазами на выводах генератора. Результирующий асимметричный ток короткого замыкания в обмотках приводит к чрезвычайно высокой механической нагрузке на ротор.

13.8   Защита от перенапряжений в электропоездах

В случае электропоездов, к ограничителям предъявляются наивысшие стандарты относительно эксплуатационной безопасности. Поэтому, рекомендуются ограничители серии MWA. Прочный фарфоровый корпус удовлетворяет всем механическим требованиям для работы на железной дороге.

Резисторы в корпусе залиты имеющим высокою тепловую стабильность силиконовым компаундом. Заполняющий состав слегка эластичен, так что в активной части не происходит никаких повреждений, даже при повышенных ударных нагрузках.
Когда ограничитель перегружен, клапаны сброса давления предохраняют корпус от разрушения, даже при токе короткого замыкания в сети, достигающем 63 кА. Дополнительные преимущества этого типа ограничителей -это их низкий уровень ограничения и высокая поглощающая способность.
13.9 Ограничители, включенные параллельно батарее конденсаторов
Обычно во время переключения конденсаторных батарей не возникает никаких перенапряжений. Автоматический выключатель прерывает ток при прохождении его через нуль и напряжение на конденсаторе по отношению к земле достигает максимально 1.5 у. е. В результате, изменения действующего напряжения рабочей частоты приводят к возникновению на разомкнутом выключателе напряжения, равного 2.5 у. е.
Во время срабатывания автоматического выключателя, имеет место эффект высокочастотного переходного процесса между конденсаторным и рабочим напряжениями. В течение этого процесса на конденсаторе присутствует более высокое напряжение [21]. Это перенапряжение на конденсаторе между фазой и землей [15] достигает максимально 3 у. е. Если конденсаторы соединены в звезду, они разряжаются между фазой и землей через ограничитель, параллельный батарее. В течение разряда до напряжения V2 х Uc, с энергетической точки зрения, ограничитель загружен Ес:

Ec=^x[3-(Uc/UJ2],
Sk: трехфазная реактивная мощность конденсаторной батареи; Ес: энергия разряда, поглощенная ограничителем.
Предположим, что ограничитель должен выполнять этот процесс 3 раза подряд без фазы охлаждения, тогда при Uc > Um следует, что:
E/UC: Поглощающая способность ограничителя по отношению к Uc. Способность поглощения энергии Е ограничителя должна соответствовать реактивной мощности батареи. В Таблице 7 показаны максимально допустимые значения реактивной мощности для различных типов ABB CH ограничителей, параллельных батарее.

Тип ограничителя uc^um	MVB MVK MVD	MWB	MWK MWD	MWA
E/UC [кДж/кВ]	1.5	2.5	3.5	8.0
Um [кВ]	Sk (MVA)	Sk (MVA)	Sk (MVA)	Sk (MVA)
3.6	0.28	0.47	0.66	1.5
7.2	0.56	0.94	1.32	3
12	0.94	1.5	2.2	5
17.5	1.3	2.2	3.2	7.3
24	1.8	3.1	4.4	10
36	2.8	4.7	6.6	15

Таблица 7. Ограничители, включенные параллельно конденсаторной бата-1 рее. Максимально допустимая реактивная мощность Sk батареи для указанных типов ограничителей. Для ограничителей допустимы три разряда без стадии охлаждения.
Если конденсаторная батарея имеет изолированную нейтраль, ограничитель не срабатывает. Следует отметить, что после срабатывания выключателя, напряжение нейтрали батареи возрастает до 2 у. е. Рост напряжения на нейтрали по отношению к земле приводит к разряду батареи через ограничитель. Ограничители, параллельные батарее с изолированной нейтралью, должны быть выбраны по их реактивной мощности.
Если батарея остается отсоединенной от сети после отключения, ограничители разряжаются до нуля, а не просто до V2xUc. Ниже -72xUc ток разряда через ограничитель очень маленький, так что остающийся разряд занимает длительное время. За это время ограничитель может охладиться. Он отдает больше тепла, чем получает в течение остающегося разряда. Поэтому в вышеупомянутых расчетах Е, было оправданным принятие во внимание только энергии, поглощенной ограничителем до напряжения л/2 х Uc.
Если для определенного типа ограничителя реактивная мощность параллельной батареи конденсаторов превышает предельное значение в Таблице 7, должен выбираться ограничитель с лучшими энергетическими качествами. Для сетей, работающих при нестандартных напряжениях, применяются | предельные значения в колонке Sk с более низким стандартным напряжением. Если реактивная мощность слишком велика, необходимо подключение параллельного ограничителя. В этом случае необходимо информировать поставщика ограничителей для принятия мер с целью обеспечения гарантии оптимального распределения тока в параллельных ограничителях. Поставщик также должен быть проинформирован при использовании ограничителей с U < U .

13.10 Линейные ВЧ заградители (параллельная защита)

Линейные заградители - это дроссели с воздушным сердечником, которые подключены к линиям высокого напряжения. Они имеют индуктивность L порядка тН. Если не принять никаких мер, токи молнии в проводе будут течь через линейный заградитель. Даже относительно невысокие скорости роста тока, несколько кА/цз, произвели бы перенапряжения на линейном заградителе, достигающие нескольких 1000 кВ и приводящие к перекрытию. Чтобы предотвратить это, параллельно заградителю подключают СН ограничитель. Они принимают на себя токи молнии и ограничивают перенапряжение до его остающегося напряжения.
Когда в высоковольтной сети имеет место короткое замыкание на землю, через провод протекает ток короткого замыкания Ik. Этот ток промышленной частоты может перегрузить ограничитель. Поэтому Uc необходимо выбирать с учетом тока, протекающего через линейный заградитель.
Он вызывает кратковременное перенапряжение UTOV = coxLxlk, стандартное для Uc на линейном заградителе. Если продолжительность тока короткого замыкания t < 3 с, тогда Т=1.28, что приводит к следующему выражению для Uc:

 
ik: максимальный ток короткого замыкания через линейный заградитель;
L: индуктивность линейного заградителя.