Выбор, испытание и применение металлооксидных ОПН в сетях СН

ВЫБОР, ИСПЫТАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ
МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В СЕТЯХ
СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ABB High Voltage Technologies Ltd

1 .      Введение

Перенапряжения в сетях электроснабжения являются неизбежным результатом действия ударов молний и коммутаций. Они подвергают опасности электрооборудование, поскольку необходимый уровень изоляции оборудования не может быть достигнут по экономическим соображениям. Более экономичным и надежным решением в эксплуатации сетей является широкое применение мероприятий по ограничению перенапряжений неприемлемого уровня. Это верно как для высоковольтных сетей, так и для сетей среднего и низкого напряжений.
Основная защита от перенапряжений может быть достигнута двумя способами:

1. Избежать грозовых перенапряжений в точке происхождения, например, применением грозозащитных тросов на подходах к подстанциям.
2. Ограничить перенапряжения непосредственно около электрического оборудования, например, с помощью ограничителей перенапряжений, установленных рядом с электрическим оборудованием.

В высоковольтных сетях широко применяются оба метода защиты. В сетях СН (СН= Среднее Напряжение) применение грозозащитных тросов не очень эффективно из-за небольшого зазора между грозозащитным тросом и проводами линии, удары молний поражают также и провода линии. Кроме того, наведенных перенапряжений (косвенных результатов действия ударов молний) на проводах линии вообще невозможно избежать при помощи грозозащитных тросов. Наиболее эффективная защита от перенапряжений в сетях СН состоит в использовании ограничителей перенапряжений, установленных возле электрического оборудования.
Величина перенапряжения обычно определяется в у. е. (условных единицах).


где Um - максимальное действующее значение междуфазного напряжения при нормальном режиме работы сети [1]. Различаются три основных типа перенапряжений [2]:
Кратковременные перенапряжения имеют место, например, при отключении нагрузки или при коротком замыкании на землю. Продолжительность таких колебательных перенапряжений рабочей частоты находится в пределах от 0.1 секунды до нескольких часов. В общем, перенапряжение не превышает V3 у. е., и как таковое не представляет опасности для работы сети, однако влияет на выбор ограничителя.
Коммутационные перенапряжения происходят во время переключений, и в основном представляют собой сильно затухающие колебания с частотами до нескольких kHz и величинами до 3 у. е. Особым случаем являются переключения в электрических цепях с большой индуктивностью.

Здесь длительность фронта перенапряжения находится в пределах 0.1 и 10 |as, а максимальное значение может достигать 4 у. е. Перенапряжения с коротким фронтом возможны также при включении воздушной линии или кабеля. Максимальное значение в этом случае ниже 2.2 у. е. и не представляет опасности для распредсети.
Грозовые перенапряжения представляют самую большую угрозу сетям СН. Защита от перенапряжений должна быть организована таким образом, чтобы ограничить перенапряжение до безопасных значений.
Грозовые перенапряжения возникают при атмосферных разрядах. Они достигают своих пиковых значений за несколько us и впоследствии затухают очень быстро. Величина этих униполярных перенапряжений в сети СН может достигать значений гораздо больших чем 10 у. е.
2.       Традиционная технология ограничения перенапряжений
Вплоть до недавнего времени в сетях СН применялись исключительно "традиционные" ограничители перенапряжений. Они состояли из последовательно соединенных между собой SiC резисторов и искровых промежутков. Во время повышения перенапряжения эти искровые промежутки перекрываются, замыкая таким образом цепь на землю. Последовательно включенный резистор ограничивает сопровождающий ток, протекающий под воздействием напряжения системы. В результате, горение дуги между искровыми промежутками прекращается, как только напряжение достигает следующего перехода через нуль.
3.       Металлоксидные сопротивления как ограничивающие элементы
Вольтамперная характеристика металлоксидных сопротивлений резко нелинейна. На Рис. 1 показана характерная кривая для таких сопротивлений. 1г - номинальный разрядный ток (на Рис. 1, например, 10 kA). Up - уровень ограничения. Он определен как максимальное напряжение на резисторе за время протекания Ir. Uc определено как действующее значение максимального длительного рабочего напряжения на резисторах (MCOV).
Характерная кривая на Рис. 1 соответствует резистору Uc=4 kV. В случае приложения постоянного напряжения равного V^xUc=5.66 kV протекает постоянный ток в диапазоне 0.1 тА. Емкостная составляющая при 50 Hz и таком значении Uc будут находиться в пределах 0.5 тА. Уровень защитного напряжения Up при Ir=10 kA составляет 13 kV.
Для сравнения, на диаграмме также изображена кривая обычного резистора, на основе электротехнического карборунда (SiC) , также имеющего Up=13 kV. Так как SiC резисторы проявляют значительно меньшую нелинейность, непрерывный ток через SiC разрядник без искровых промежутков при номинальной нагрузке составил бы приблизительно 200 А. Конечно, по тепловым соображениям, такой ограничитель не был бы работоспособен.

Рис.1 Логарифмические графики вольтамперных характеристик МО и SiC резисторов для Uc=4 кВ.
Следовательно, обычные разрядники нуждаются в последовательных искровых промежутках, которые берут на себя напряжение при постоянной работе.
Режим работы ограничителей, которые состоят только из последовательно соединенных резисторов (без искровых промежутков) чрезвычайно прост.
Когда перенапряжение приложено к выводу ограничителя, ток через ограничитель непрерывно возрастает без задержки, согласно показанной характеристике. Пробоя не происходит, резисторы постепенно переходят в проводящее состояние. Когда перенапряжение затухает, ток снова уменьшается в соответствии с характеристикой. Таким образом, в отличие от ограничителей с искровыми промежутками, протекание сопровождающего тока не наблюдается.
Активная часть металлоксидных ограничителей перенапряжений состоит из колонки цилиндрических резисторов. Количество сопротивлений в колонке зависит от Uc ограничителя. Колонка установлена в герметически закрытом фарфоровом или полимерном корпусе. Колонки резисторов ведут себя подобно конденсаторам при воздействии Uc. Паразитная емкость переменных сопротивлений по отношению к земле приводит к неравномерному распределению напряжения по высоте ограничителя при воздействии Uc. Неравномерность увеличивается с длиной колонки [3]. С целью выравнивания потенциала вдоль оси и компенсации неблагоприятного влияния паразитной емкости в высоковольтных ограничителях применяются выравнивающие кольца. В СН ограничителях высота конструкции невелика, поэтому применение выравнивающих колец не требуется.

 В прошлые десять лет современные МО ограничители применялись почти исключительно во вновь создаваемых высоковольтных сетях [4]. Однако, вплоть до последнего времени в сетях СН применялись обычные вентильные разрядники, состоящие из последовательно соединенных искровых промежутков и карбидно-кремниевых сопротивлений. В то же время, все большее и большее количество металлоксидных ограничителей перенапряжений без искровых промежутков находило применение. Причины этого кроются в изменении технологии, увеличении эксплуатационной эффективности, более низких уровнях ограничений (для перенапряжений с очень крутым фронтом) и устойчивости к сильным загрязнениям [5].
4.       Вопросы стабильности МО ограничителей перенапряжений
На Рис. 2 показана зависимость потерь мощности Р МО резисторов в ограничителе при приложенном Uc. Ясно видно, как экспоненциально увеличивается Р вместе с температурой МО, которая также приводит к увеличению нагрева активных частей. Охлаждение сопротивлений - это результат теплового потока Q,- от активной части наружу. При температурах выше критической точки Р > Q-. Здесь охлаждение недостаточно для компенсации потерь мощности. Сопротивления продолжали бы нагреваться и ограничитель был бы разрушен от перегрева. Правильным подбором резисторов и конструктивными решениями добиваются того, чтобы критическая точка находилась на таком уровне, который невозможно достичь даже при самых высоких перенапряжениях, которые могут появиться во время эксплуатации.

Потери мощности Р
МО ДИСКОВ
и тепловой поток Q-
от активной
части ограничителя
наружу, как функция
от температуры

МО дисков Т
при непрерывном
рабочем
напряжении Uc
Рис.2
С другой стороны, описанный механизм ясно показывает пределы поглощающей энергетической способности металлоксидного ограничителя перенапряжений. Количество поглощенной энергии никогда не должно превышать критическую точку. Тогда P<Q-, МО диски будут охлаждаться, пока не будет достигнута устойчивая рабочая точка.

5.      Кратковременные перенапряжения
Под кратковременными перенапряжениями UTOV подразумевают повышение напряжения промышленной частоты ограниченной продолжительности. Здесь специальные меры требуются в отношении ограничителей с искровым промежутком. Сопровождающий ток в этих ограничителях значительно увеличивается с ростом эксплуатационного (рабочего) напряжения. Если это напряжение выше номинального напряжения ограничителя, разрядный ток через ограничитель будет слишком высок. В этих условиях искровые промежутки могут не погасить дугу, таким образом они будут загораться всякий раз в каждом следующем полупериоде, пока ограничитель не будет разрушен от перегрева. В сетях с кратковременными перенапряжениями номинальное напряжение искровых промежутков ограничителей должно быть повышено до UTOV, что требует подъема уровня ограничения ОПН.
Однако, в металлоксидного ограничителя перенапряженийх нет никакого сопровождающего тока. Это обусловлено их резко нелинейной вольтамперной характеристикой (Рис. 1). По этой причине МО ограничители способны выдержать увеличение эксплуатационных напряжений в течение более длинного периода времени. На Рис. 3 представлена зависимость устойчивости Т ограничителя от длительности воздействия UTOV. Дано, что
utov=txuc
Т является критерием для допустимой величины UTOV.
Кривая а имеет силу для ограничителей без существенной предварительной нагрузки. Чем выше Т и, следовательно, UTOV, тем выше мощность, выделяющаяся в ограничителе. Поскольку температура МО не должна превысить определенную величину по причинам стабильности, энергия, переданная ограничителю, также ограничена. По этой причине допустимая продолжительность нагрузки t уменьшается с увеличением Т, а следовательно, и с UTOV.
Кривая b действительна для ограничителей, которые в момент времени t=0 уже предварительно нагружены удельной энергией Е под воздействием напряжения Uc. Естественно, что кривая b находится ниже кривой а, так как в случае b энергия, поглощенная ограничителем в течение времени t, должна быть меньше, чем в случае а, на величину Е.

Устойчивость T=U

по отношению к кратковременному перенапряжению UTOV, как функция от его продолжительности t при температуре окружающей среды (температура воздуха вне ограничителя) 45 °С. Кривая а применима к незаряженному ограничителю, кривая b - к нагруженному энергией Е в течение перенапряжения промышленной частоты.
Е=1.5 кДж/кВ Uc для типов ограничителей MVB, MVK и MVD
Е=2.5 кДж/кВ Uc для типа ограничителя MWB
Е=3.5 кДж/кВ Uc для типов ограничителей MWK и MWD
Ограничители, которые были уже предварительно нагружены величиной E/UC, обозначенными на Рис. 3, могут, тем не менее, противостоять кратковременным перенапряжениям в соответствии с кривой b. При этом необходимо, чтобы полная поглощающая способность ограничителя превышала эти гарантированные данные. В интервале времени t ограничитель может проводить энергию в виде импульсов любой длительности. Сумма импульсов при этом не должна превысить величину Е.
Следующий пример иллюстрирует применение Рис. 3:
В течение некоторого отрезка времени ограничитель MWB 24 с Uc=24 кВ находится под напряжением Uc. Температура окружающего ограничитель воздуха - не более 45 °С. В момент времени t=0 ОПН нагружается удельной энергией Е=2.5 кДж/кВ Uc при напряжении Uc. Немедленно после этого появляется кратковременное перенапряжение, при этом UTOV=28 кВ. Таким образом:

Для Т=1.17 время составит t=300 s, что следует из кривой b (Е=2.5 кДж/кВ Uc). Следовательно, продолжительность UTOV ограничена 300 секундами. После этого ограничитель снова способен поддерживать UC и охлаждается. Если ожидается, что UTOV на стороне линии имеет продолжительность более чем 300 секунд, тогда, соответственно, должен быть выбран ограничитель с более высоким Uc.