Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений - Нелинейные ограничители перенапряжений

Применяемые в настоящее время вентильные разрядники с резисторами на основе карбида кремния вследствие недостаточной нелинейности материала не позволяют обеспечить достаточное ограничение перенапряжений. Более глубокое их снижение требует уменьшения нелинейного последовательного сопротивления, что приводит к существенному увеличению сопровождающих токов. Искровые промежутки не в состоянии погасить большие токи. Включение нелинейных сопротивлений под рабочее напряжение без искровых промежутков оказывается невозможным вследствие большого тока через нелинейное сопротивление при фазном напряжении. Применение искровых промежутков вызывает дополнительные трудности, связанные с необходимостью уменьшения сопровождающего тока до величины надежно отключаемой промежутками, а также получения пологой вольт-секундной характеристики разрядника.

Значительное улучшение защитных характеристик разрядников может быть достигнуто при отказе от использования искровых промежутков. Это оказывается возможным при переходе к резисторам с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой и достаточной пропускной способностью. Таким требованиям отвечают варисторы из полупроводникового материала на базе окиси цинка. Разработка и массовое производство в последующие годы этих варисторов позволили разработать и защитные аппараты с улучшенными характеристиками. Такие аппараты, называемые ограничители перенапряжений, в настоящее время выпускаются в ряде развитых стран мира. В России серийно выпускаются ограничители перенапряжений главным образом для сетей 110 кВ и выше (см., например, [63, 64]). Для сетей с изолированной и резонансно заземленной нейтралью аппараты выпускаются небольшими партиями (см., например, [67-69]).
Высоконелинейные оксидно-цинковые варисторы в настоящее время в основном выпускаются в виде дисков диаметром 28 мм, высотой 8 мм. Вольт-амперные характеристики таких варисторов приведены на рис. 5.3, где напряжение указано в относительных единицах, причем за базисную величину принято остающееся напряжение на варисторе при токе 100 А (U100).
Вольт-амперную характеристику нелинейных варисторов обычно аппроксимируют зависимостью С=СIα, где α - коэффициент нелинейности материала (показатель нелинейности).
Нелинейные варисторы, изготовленные на основе окиси цинка и использующиеся в ограничителях перенапряжений, характеризуются значительно меньшим показателем нелинейности α, чем карбидно-кремниевые, используемые в вентильных разрядниках. Следует отметить, что показатель α в сильной степени зависит от величины тока, протекающего через сопротивления, и с увеличением тока растет.
Определение коэффициента нелинейности α по вольт-амперным характеристикам варисторов имеет большую погрешность из-за недостаточной точности измерения остающегося напряжения. Чтобы вычислить коэффициент нелинейности с повышенной точностью в СПбГТУ использована специальная схема позволяющая измерять импульсы тока в параллельно включенных колонках варисторов, одна из которых является эталонной. Измеряя величину сопротивления, включенного последовательно с рассматриваемой колонкой, можно в широких пределах варьировать в ней ток, в то время как в эталонной колонке ток сохраняет свою амплитуду. Повышение точности определения напряжения на исследуемой колонке варисторов определяется высокой точностью измерения тока и напряжения на ней.

Рис. 5.3. ВАХ варисторов диаметром 28 мм на постоянном токе и при импульсах (а) и переменном токе 50 Гц (б)

Это обеспечивается контролем тока в эталонной колонке дисков (некоторая погрешность в его измерении приводит к значительно меньшей погрешности в определении напряжения вследствие малого значения коэффициента α в зависимости U=CI), также измерением с большей точностью линейного сопротивления, включаемого последовательно с исследуемой колонкой. Средние значения коэффициента α, полученные по результатам измерений приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.2
Средние значения параметров С и α оксидно-цинковых варисторов

Как следует из таблицы, малая величина α (0,015...0,04), определяющая преимущества оксидно-цинковых варисторов, охватывает область токов от 10-6 до 102 А. Протекание через варисторы токов, превышающих 500 А, нежелательно, поскольку в этом случае резко возрастает коэффициент нелинейности
(α>0,1).
Вольт-амперная характеристика варисторов позволяет комплектовать нелинейные ограничители перенапряжений с улучшенными защитными характеристиками без искровых промежутков. Однако отсутствие искровых промежутков обусловливает протекание через ОПН токов 50 Гц при рабочем напряжении сети. Чрезмерная величина этих токов может привести к перегреву варисторов и выходу ОПН из строя.
Ток, протекающий через ограничители перенапряжений в нормальном режиме, содержит емкостную и активную составляющие. При напряжениях, не превышающих 0,7U, преобладает емкостная составляющая тока, не вызывающая нагрева варисторов. Этому соответствует градиент напряжения 1,0 кВ/см. При больших градиентах напряжения резко возрастает нелинейная проводимость и активная составляющая тока, что приводит к существенному нагреву варисторов. Критическое значение градиента рабочего напряжения 1,0 кВ/см соответствует максимально допустимому току через варистор ~1 мА, являющемуся в основном током проводимости, что подтверждается осциллограммами тока через варистор при разных напряжениях 50 Гц.
Пропускная способность ОПН и характер их повреждения зависят от амплитуды и длительности тока через них. При протекании через ОПН импульсов тока большой длительности, характерных для коммутационных воздействий, наблюдается их существенный нагрев. Амплитуда импульса, приводящего к повреждению варисторов диаметром 28 мм составляет 80...120 А, причем в результате таких воздействий происходит проплавление в варисторах сквозных отверстий, а в ряде случаев варисторы разрушаются. При коротких импульсах тока 8/20 мкс, характерных для грозовых перенапряжений, варисторы не разрушаются даже при воздействии импульсов с амплитудой до 1000...1500 А. Дальнейшее увеличение тока приводит к их перекрытию по боковой поверхности, однако ток перекрытия может быть значительно увеличен, если покрыть боковую поверхность варисторов специальным изоляционным лаком или залить варисторы полимерным компаундом. Данные о пропускной способности варисторов в режиме характерном для грозовых воздействий, приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3
Пропускная способность оксидно-цинковых варисторов при воздействии импульсов грозовых перенапряжений

В последние годы разработаны варисторы увеличенного диаметра (45, 60 и 85 мм) и, соответственно, большей пропускной способности, однако серийный выпуск таких варисторов в России еще не налажен.
Нелинейные ограничители перенапряжений комплектуются из большого числа параллельно и последовательно соединенных оксидноцинковых варисторов. Число последовательно соединенных в колонку варисторов и число параллельных колонок в ограничителе определяются номинальным напряжением сети и зависят от требований к защитному уровню и пропускной способности ограничителей.
При комплектовке колонок варисторов необходимо иметь в виду, что остающееся напряжение на них зависит от крутизны протекающих импульсов тока.
Из литературы известно, что при уменьшении длины фронта импульса несколько возрастает напряжение, остающееся на варисторах. Так, по американским данным [65], уменьшение длины фронта от 10 мкс до 1 мкс приводит к росту остающегося напряжения на 13%, а увеличение τф от 10 мкс до 100 мкс - к снижению Uост на 8%. Японские авторы приводят более слабую зависимость Uост от τф. Так, увеличение длины фронта с 8 мкс до 500 мкс приводит к снижению Uост на 4%, а уменьшение фронта до 3 мкс к росту Uост на 2% [66].
Аналогичное явление остающегося напряжения имеет место и на отечественных высоконелинейных варисторах на основе окиси цинка, применяемых для комплектовки ΟΠΗ. При изменении фронта импульса тока с амплитудой от 100 до 2-3 мкс Uост увеличивается примерно на 10-12%. Более тщательные исследования были проведены при трех вариантах импульса тока через колонку: 8/20, 95/260 и 580/1500 мкс. Испытаниям подвергались 10 образцов: из них через семь образцов пропускались импульсы тока амплитудой 100 А, а через три - 60 А. Общее число воздействий импульсного тока через каждый образец составляет 36-42. Полученная зависимость Uост  от приведена на рис. 5.4 (кривая 1). На этом же рисунке представлены аналогичные кривые, полученные в США (кривая 2) и Японии (кривая 3) [65, 66].
Величина
- остающееся напряжение, измеренное при фронте импульса тока 8 мкс для кривых 1 и 3 и 10 мкс для кривой 2.
Исследования показали, что снижение остающегося напряжения при переходе от испытательного импульса тока с длиной фронта 8 мкс (типичного для грозовых волн тока через ограничители) к импульсам с τф=95 и 580 мкс (характерным для коммутационных перенапряжений) составляет 4-6 и 9-12% соответственно.
Это обстоятельство должно учитываться при комплектовке ограничителей; она ведется по измеренным остающимся напряжениям на отдельных варисторах при импульсных токах 100 А 8/20 мкс.
Высокая нелинейность варисторов, изготовленных на основе окиси цинка, позволяет использовать их в ограничителях перенапряжений без последовательно включенных искровых промежутков; малые значения тока в нормальном режиме обеспечиваются высокой нелинейностью варисторов ОПН. Это одновременно предъявляет повышенные требования к точности комплектовки параллельно включенных колонок сопротивлений. Неточность комплектовки может привести к существенной недогрузке по току одних колонок и перегрузке других и выходу перегруженных колонок из строя.
В нелинейных ограничителях перенапряжений применяется параллельное соединение колонок варисторов, причем число колонок зависит от заданной пропускной способности ограничителя, то есть определяется классом напряжения аппарата и областью его применения. При такой схеме включения колонок большое значение имеет их правильный подбор (с учетом высокой степени нелинейности варисторов), с тем чтобы обеспечить равномерное распределение токов через колонки в режиме ограничения как грозовых, так и коммутационных перенапряжений.
При комплектовке ограничителей колонки варисторов диаметром 28 мм подбираются на импульсном токе 8/20 мкс 100 А. При этом необходимо знать, как распределяется по колонкам импульсный ток с большой амплитудой, характерной для работы ограничителей в грозовом режиме, а также импульсы тока прямоугольной формы, имитирующие воздействие на ограничители волн коммутационных перенапряжений.

Рис. 5.4. Зависимость остающегося напряжения от длины фронта импульса

Исследования распределения таких токов по образцам из шести параллельных колонок варисторов. Было выяснено, что для колонок, подобранных при импульсах тока 8/20 мкс с амплитудой 100 А, достаточно равномерное распределение токов имеет место и при увеличении тока через колонку до 1000 А (рис. 5.5). Для двух исследованных образцов наименьшее значение тока через колонку составляет 15,2% от общего тока через образец, наибольшее - 18%. Такая неравномерность распределения тока приводит к некоторой перегрузке отдельных колонок, однако является вполне допустимой.

Рис. 5.5. Схема измерения и распределение токов между параллельными колонками

Проведенные измерения распределения токов показывают, что комплектовка образцов, обеспечивающая равномерность такого распределения на стандартных коротких импульсах 8/20мкс 100 А, оказывается вполне достаточной (рис. 5.5). Приложение к образцу после такой комплектовки прямоугольной волны тока не приводит к заметному изменению распределения этого тока по колонкам (минимальное значение 0,14, а максимальное - 0,20 от полного тока через образец). Такая неравномерность оказывается допустимой.
Конструкция ограничителя перенапряжений зависит от класса напряжения и характеристик сети, в которой он используется. Как указывалось выше, в сетях 3-35 кВ, работающих в режиме с изолированной или резонансно заземленной нейтралью, ограничители перенапряжений могут длительное время подвергаться воздействию повышенного до линейного напряжения сети в случае возникновения замыкания на землю одной из фаз сети. Наибольшие сложности возникают при разработке нелинейных ограничителей перенапряжений для распределительных сетей. Большая протяженность этих сетей обусловливает большое число замыканий на землю и значительную величину тока замыкания. Ограничители, устанавливаемые в воздушных сетях должны иметь, кроме того, повышенную пропускную способность, необходимую для работы в режиме ограничения грозовых перенапряжений.
Анализ показывает, что при разработке ограничителя перенапряжений для воздушных и смешанных распределительных сетей 6-35 кВ расчетным режимом для выбора пропускной способности является грозовой. В режиме ограничения грозовых перенапряжений он должен содержать 4-5 параллельно соединенных колонок варисторов диаметром 28 мм (рис. 5.6) или одну колонку диаметром 60 мм. Такой ограничитель может надежно работать при воздействии импульсов тока грозового диапазона до 5 кА даже при отсутствии защиты боковой поверхности варисторов от перекрытий (расчетный ток коммутационных перенапряжений при этом составляет 300-350 А). Вместе с тем, полевые измерения показывают, что импульсные токи через защитные аппараты в сети 35 кВ не превышают 3-4 кА.
Вольт-амперные характеристики ОПН с четырьмя параллельными колонками для распределительной сети 6 кВ на импульсах тока 8/20 мкс (характерных для грозовых перенапряжений) и 1,2/2,5 мс (коммутационные воздействия) приведены на рис. 5.7. Как показывают исследования при использовании вместо вентильных разрядников типа РВП, РВС или РВО ограничителей перенапряжений с приведенными выше характеристиками надежность грозозащиты возрастает в 2,4-4 раза.
Для оценки эффективности ограничения внутренних перенапряжений были проведены их измерения в распределительных сетях 6-10 кВ и токов в макетах ОПН при специальных сетевых испытаниях. В сети 6 кВ внутренние перенапряжения возбуждались с помощью коммутации трансформатора ТМ-320/6, подключенного к шинам 6 кВ через кабель длиной 150 м. Для получения перенапряжений с большой кратностью производились неполнофазные коммутации (однофазные и двухфазные) кабеля с ненагруженным трансформатором. Специально выбранные трансформатор и кабель приводили к появлению значительных феррорезонансных перенапряжений на невключенных фазах. Максимальная кратность перенапряжений была получена при наличии замыканий на землю перед коммутацией одной из фаз со стороны сборных шин.

Рис. 5.7. Вольт-амперные характеристики многоколонковых ОПН
Рис. 5.6. Многоколонковый ограничитель перенапряжений

В сети 10 кВ внутренние перенапряжения возбуждались при дуговых замыканиях на землю и неполнофазных коммутациях ненагруженного трансформатора типа ТМ-160/10, подключенного к шинам 10 кВ через кабель длиной 30 м. Дуговые перенапряжения создавались с помощью шаровых разрядников, подключенных к одной из фаз системы шин.

Включенные в схемы ограничители перенапряжений были рассчитаны на приложение длительного (до 8 часов) наибольшего допустимого линейного напряжения, причем остающееся напряжение при импульсном токе 100 А было равно для макетов ОПН на 6 кВ U100=18кВ и 16,4 кВ, а для ОПН 10 кВ - U100=25,8 кВ и 24,6 кВ. Эффективность ограничения внутренних перенапряжений с помощью ОПН проверялась сравнением осциллограмм, полученных в одинаковых условиях, с включенным ОПН и без него. Кривые распределения вероятности возникновения кратности перенапряжений К, превышающих заданную величину, приведены на рис. 5.8. Как показали испытания, кратность перенапряжений при отсутствии ОПН достигала K6макс=7,5 в сети 6 кВ и K10макс=5,2 в сети 10 кВ. Подключение защитного аппарата 6 и 10 кВ с U100=18 кВ и 25,8 кВ в значительной степени ограничивало максимальную кратность соответственно до К6макс=5,5 и К10макс=4,4. При этом амплитуда тока через ОПН составляла I6=65-85 А при длительности 2-3 мс и I10=3-4 А при длительности 2-4 мс.
Снижение остающегося напряжения ограничителей (то есть уменьшение числа последовательно включенных варисторов или применение варисторов с меньшим градиентом напряжения при заданном токе) до 16,4 и 24,6 кВ приводит, естественно, к более глубокому ограничению перенапряжений (кривые 5 и 6 из рис. 5.8).
В некоторых случаях (при малой протяженности распределительной сети) возможно использование ограничителей с уменьшенным числом параллельных колонок варисторов (и, соответственно, сниженной пропускной способностью). В частности, может быть применен разработанный в СПбГТУ ограничитель, выполненный в виде одной колонки варисторов СН2-2А или СН2-2Б (рис. 5.9) и предназначенный для ограничения перенапряжений в сети собственных нужд электростанций.
Как показывают расчеты, а также специальные опыты в сетях СН ТЭЦ, пропускная способность таких ограничителей оказывается вполне достаточной при их установке на зажимах двигателей и в большинстве случаев при установке на сборных шинах.
Поскольку ограничители перенапряжений не содержат искровых промежутков, отделяющих варисторы от сети при длительном воздействии рабочего напряжения, то одним из основных расчетных режимов их работы является режим протекания через варисторы тока при длительном воздействии рабочего напряжения. В этом случае должна быть обеспечена термическая устойчивость ограничителя.

Рис. 5.8. Кривые распределения кратности перенапряжений в сетях 6 кВ без ΟΠΗ (1), с ОПН при U100=18 кВ (2), с ОПН при U100=16,4 кВ (3) и в сети 10 кВ без ОПН (4), с ОПН при U100=25,8 кВ (5) и с ОПН при U100=24,6 кВ (6)

Рис. 5.9. ОПН 6 кВ одноколонковой конструкции

Расчеты показывают, что тепловое сопротивление разработанного ограничителя на 6 кВ с дисковыми варисторами с диаметром 32 мм типа СН2-2Б, контакт между которыми в колонке обеспечивается плотным прилеганием их друг к другу торцами, а теплоотвод происходит только с боковых поверхностей, оказывается в 2,5 раза выше, чем у ограничителя ОПН-110, многолетний опыт эксплуатации которого подтверждает его высокую термическую устойчивость. Необходимо однако иметь в виду, что при одинаковых средних градиентах напряжения на колонках варисторов количество тепла, выделяемое в ОПН-110, имеющем четыре параллельные колонки варисторов, оказываются в 4 раза больше (на единицу высоты аппарата). Поскольку условия теплоотвода у разработанного ограничителя ОП-б с резисторами СН2-2Б примерно в 1,5 раза лучше, чем у ОПН-110 даже в том случае, если свободное пространство внутри покрышки не заполняется песком. Это гарантирует высокую термическую стабильность разработанных ограничителей, что подтверждается опытом эксплуатации их в сетях с. н. ряда энергосистем России.
Как показывают специальные исследования, а также опыт эксплуатации разработанных, изготовленных и установленных в сети с. и. ограничителей перенапряжений, токи, протекающие через них при ограничении коммутационных перенапряжений, не превышают 100 А. При таких токах, ОПН, рассчитанный на длительную работу при линейном напряжении, обеспечивает ограничение перенапряжений до уровня 17,4 кВ. Снижение защитного уровня ограничителей перенапряжений будет приводить к повышению надежности работы сетей. Высокая термическая устойчивость разработанного ограничителя дает возможность некоторого улучшения его защитных характеристик путем уменьшения числа последовательно соединенных варисторов в колонке и увеличения допустимого тока, протекающего через варисторы в длительном рабочем режиме. Аналогичное снижение остающегося напряжения на ограничителе за счет уменьшения числа варисторов может быть достигнуто, если предварительными исследованиями установлено, что наибольшее длительно приложенное напряжение в точке подключения ограничителя меньше 7,2 кВ.
Дальнейшее улучшение защитных характеристик ограничителя уменьшением числа последовательно соединенных варисторов возможно, если ограничено время воздействия на его линейное напряжение. В частности, ограничитель ОП-6-1 рассчитан на работу под линейным напряжением в течение одного часа. В случае, когда в сети применяется релейная защита, отключающая участок с замыканием фазы на землю, может быть применен ограничитель ОП-6-2, рассчитанный на приложение линейного напряжения в течение 1 с. Очевидно, что при использовании таких аппаратов оказывается возможным более глубоко ограничить коммутационные перенапряжения, чем с помощью ОП-6-1.
Как показывают специальные исследования, а также опыт эксплуатации разработанных, изготовленных и установленных в сети с. н. ограничителей перенапряжений, токи, протекающие через них при ограничении коммутационных перенапряжений, не превышают 100 А. При таких токах, ОПН, рассчитанный на длительную работу при линейном напряжении, обеспечивает ограничение перенапряжений до уровня 17,4 кВ. Снижение защитного уровня ограничителей перенапряжений будет проводить к повышению надежности работы сетей. Высокая термическая устойчивость разработанного ограничителя дает возможность некоторого улучшения его защитных характеристик путем уменьшения числа последовательно соединенных варисторов в колонке и увеличения допустимого тока, протекающего через варисторы в длительном рабочем режиме. Аналогичное снижение остающегося напряжения на ограничителе за счет уменьшения числа варисторов может быть достигнуто, если предварительными исследованиями установлено, что наибольшее длительно приложенное напряжение в точке подключения ограничителя меньше 7,2 кВ.
Дальнейшее улучшение защитных характеристик ограничителя уменьшением числа последовательно соединенных варисторов возможно, если ограничено время воздействия на него линейного напряжения. В частности ограничитель ОП-6-1 рассчитан на работу под линейным напряжением в течение одного часа. В случае, когда в сети применяется релейная защита, отключающая участок с замыканием фазы на землю, может быть применен ограничитель ОП-6-2, рассчитанный на приложение линейного напряжения в течение 1 с. Очевидно, что при использовании таких аппаратов оказывается возможным более глубоко ограничить коммутационные перенапряжения, чем с помощью ОП-6-1.
При отсутствии в сети релейной защиты, уменьшающей время воздействия на ограничители линейного напряжения, заметное улучшение его характеристик может быть получено при использовании в конструкции ограничителя искровых промежутков, включаемых последовательно с нелинейными варисторами или параллельно их части. В последнем случае искровой промежуток рассчитан на срабатывание при напряжениях, превышающих уровень квазистационарных перенапряжений. В длительном рабочем режиме при квазистационарных перенапряжениях ток определяется сопротивлением всех варисторов, а уровень ограничения перенапряжений - сопротивлением их незашунтированной части.
Та же задача решается при шунтировании части нелинейных варисторов контактами коммутирующего аппарата, входящего в состав устройства защиты от перенапряжений. Устройство, схема одной фазы которого приведена на рис. 5.10, содержит ограничитель ОП, делитель (или трансформатор напряжения) ДН и цепи управления. Уставка реле напряжения KV выбрана таким образом, чтобы реле не срабатывало при наибольшем фазном напряжении и срабатывало бы при увеличении напряжения до линейного. В нормальном режиме работы устройства, когда в сети отсутствуют замыкания одной фазы на землю и напряжение на ОП равно рабочему фазному или превышает его незначительно (не более 1,2-1,3 Uф), контакты реле напряжения разомкнуты. При возрастании напряжения до (1,4-1,5) Uф PH срабатывает и запускает реле времени КТ, контакты спустя некоторое время (0,3-0,5 с) замыкают цепь питания обмотки коммутирующего устройства KL.
Нормально замкнутые контакты KL размыкаются и последовательно с колонкой варисторов R1 включаются варисторы R2. При этом происходит переход с вольт-амперной характеристики ОП-6-2 на идущую более высоко характеристику ОП-6-1. Очевидно, что при срабатывании KL защитные характеристики устройства несколько ухудшаются, однако резко снижается вероятность выхода его из строя при длительном воздействии линейного напряжения.

Рис. 5.10. Устройство, улучшающее защитные характеристики ОПН

Для оценки эффективности использования этих ограничителей перенапряжений на базе оксидно-цинковых варисторов были проведены специальные исследования (рис. 5.11). В качестве объекта испытаний использовался электродвигатель G с номинальным напряжением 6 кВ и мощностью 250 кВ. Электродвигатель подключался к шинам СШ2, от которых были отключены все виды нагрузки, через кабель длиной около 100 м и трехфазный выключатель Q1. Выделенная для измерений система шин СШ2 с электродвигателем питалась от системы шин СШ1 через выключатель Q2, использовавшийся в качестве защитного. Для создания металлического или дугового замыкания на землю применялись шаровые разрядники ШР. Регистрация перенапряжений на осциллографе осуществлялась с помощью электромагнитного трансформатора напряжения НОМ-6. Основные частоты исследованных переходных процессов не превышали 2 кГц, в то время, как линейность коэффициента трансформации НОМ-6 сохраняется приблизительно до 3 кГц. Напряжения фаз относительно земли и ток через ограничители перенапряжений измерялись с помощью светолучевого осциллографа типа Н-115, малоиндуктивные шунты Rш имели сопротивления около 1 Ом.

Рис. 5.11. Схема измерения внутренних перенапряжений при коммутациях электродвигателей СН 6 кВ ТЭЦ

Были проведены следующие испытания:

1. отключение и включение холостого двигателя;
2. отключение и мгновенное включение, а также включение и мгновенное отключение электродвигателя;
3. отключение и включение двигателя при наличии однофазного замыкания на землю на стороне питающей сети;
4. искусственное возбуждение дуговых замыканий на землю;
5. неполнофазные (однофазные и двухфазные) коммутации электродвигателя с кабеля.

При опытах было зафиксировано более 1000 осциллограмм переходных процессов, в том числе 550 осциллограмм при подключенных к сети 6 кВ защитных аппаратах ОП-6-1 или ОП-6-2. На рис. 5.12 приведены кривые распределения вероятности перенапряжений с кратностью К, равной или большей заданной Кх. Из этого рисунка следует, что для коммутации электродвигателя при наличии замыкания одной из фаз на землю ОП-6-1 начинает заметно ограничивать перенапряжения с уровнем, большим 2,0 Uф, а ОП-6-2 - при перенапряжениях с уровнем, большим 1,75. Максимальные зарегистрированные токи через ОП-6-1 не превышали 50 А, а через ОП-6-2 - 70 А. Наибольшая кратность перенапряжений, полученная при опытах, составляла 2,9 при отсутствии в сети защитного аппарата, 2,6 при использовании ОП-1 и 2,1 при использовании ОП-2.

Рис. 5.12. Вероятности Р(К>КХ) для коммутации электродвигателя при наличии замыкания на землю со стороны питания:
1 - без ОПН; 2 - с ОП-1; 3 - с ОП-2

Разработанные в СПбГТУ ограничители перенапряжений в настоящее время установлены в сетях ряда энергосистем России и СНГ и находятся в опытной эксплуатации около 7 лет. При этом отмечается высокая надежность аппаратов и заметное, приблизительно в 2 раза снижение аварийности защищаемого оборудования.
Таким образом, в СПбГТУ разработаны нелинейные ограничители перенапряжений разной модификации на базе оксидно-цинковых варисторов. Специальные исследования и опыт эксплуатации ограничителей подтверждают их высокую надежность в работе и эффективность защиты оборудования сетей.
Для безаварийной эксплуатации ОПН важное значение имеет правильный выбор его параметров (технических характеристик). Основными факторами, необходимыми при выборе ОПН являются [70, 71]:

1. максимально допустимое напряжение с учетом длительности его воздействия (Uмp);
2. расчетный импульсный ток (Iи);
3. расчетный коммутационный ток (Iк).

В ряде случаев последние два тока заменяются способностью поглощать электрическую энергию, выраженной в кДж на 1 кВ Uмp.
Величина Uмp определяется расчетным путем или исходя из ГОСТа на качество электроэнергии. Так, если ОПН будет установлен на шинах (секциях), можно исходить из ГОСТ на качество электроэнергии. При установке защитного аппарата в присоединении силового трансформатора необходимо принимать во внимание возможные квазистационарные перенапряжения, возникающие при неполнофазных режимах работы системы кабель-трансформатор или воздушная линия-трансформатор, и длительность существования упомянутых перенапряжений.
На рис. 5.13 приведена допустимая величина в зависимости от длительности его воздействия.
Известно, что по ГОСТу по качеству электроэнергии U∞ для сетей 6 и 10 кВ равно l,2Uном, для сетей 35 кВ - l,15Uном. Поэтому Uмp 6=U∞=6х1,2=7,2 кВ; Uмp 10= U∞=10-1,2=12 кВ; Uмр 35=U∞· 1,15=40,5 кВ.

Рис. 5.13. К выбору времени воздействия максимального рабочего напряжения на ОПН
Если время воздействия напряжения ограничено, то Uмp определяется исходя из величин U∞ и коэффициента Кз из рис. 5.12 по формуле

Пример 1. Определить величину Uмp для ОПН-10, устанавливаемого для защиты генераторов. Время действия защиты 0,5 с.
Из рис. 5.12 при τ=0,5 с находим, что коэффициент Кз≈1,48. Поэтому

Пример 2. Определить значение Uмp для ОПН-6 для защиты сетей собственных нужд, если причина однофазного замыкания на землю находится и ликвидируется в течение 20 минут.
Из рис. 5.12 при τ=20 мин=1200 с находим Кз=1,22, поэтому Uмp = U∞/Кз= 7,2 /1,22 = 5,9 кВ.
Расчетный импульсный ток через ОПН определяется путем соответствующих исследований на ЭВМ или счетно-решающих устройств - анализаторов грозозащиты подстанций. Анализ показывает, что:

1. при установке ОПН в чисто кабельных сетях, куда грозовые перенапряжения протекают через трансформатор связи, импульсные токи Iи с достаточно большой вероятностью не более 1 кА;
2. при установке ОПН в смешанных сетях, куда импульсы перенапряжений протекают от ВЛ, Iи<10 кА.

Расчетный коммутационный ток определяется для коммутации, сопровождающейся наибольшей кратностью и большей длительностью. Эти токи в сетях 6-35 кВ в зависимости от вида защищаемого электрооборудования находится от 200 до 600 А, причем для ОПН, устанавливаемых на шинах (секциях), они несколько больше, чем для ОПН, предназначенных для защиты электрооборудования присоединений.
В России коммутационные токи эквивалентируются волной 1,2/2,5 мс, а в большинстве зарубежных стран - прямоугольной волной с длительностью 2000 мкс.
Импульсные токи в России эквивалентируются волной 8/20 мкс, а за рубежом - волнами 8/20 и 4/10 мкс.
В заключении отметим, что энергия, запасенная в приведенных выше волнах тока на 1 кВ напряжения U∞, имеет приблизительно следующие значения (таблица 5.4).
Таблица 5.4
Соотношение энергий различных волн тока

Из этой таблицы видно, что:
- из реальных воздействий наибольшей энергией обладают прямоугольная волна длительностью 2000 мкс и волна 1,2/2,1 мс, эквивалентные коммутационным перенапряжениям;
-импульс 4/10 мкс, характеризующий устойчивость ограничителя при прямых ударах молнии на ограничители, обладает приблизительно такой же энергией, что и импульсы, эквивалентирующие коммутационные токи.
Таким образом, при выборе ОПН с точки зрения энергопоглощения определяющим является коммутационный импульс.