Испытания вентильных разрядников и ОПН в режиме ограничения коммутационных перенапряжений

И. М. Богатенков, В. Н. Колякин, Н. В. Цимерская

Повышение надежности защиты оборудования энергосистем требует улучшения характеристик защитных аппаратов, которое в значительной мере связано с постановкой их широких лабораторных исследований. Представляет интерес сравнить существующие методы исследования пропускной способности вентильных разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений в режиме ограничения коммутационных перенапряжений с учетом особенностей испытаний защитных аппаратов на разных установках, причем каждый из рассматриваемых методов испытаний необходимо оценить с точки зрения его эквивалентности реальным условиям работы защитных аппаратов в сети.

Рис. 1. Схема для коммутационных испытаний вентильных разрядников с использованием искусственной линии и источников напряжения промышленной частоты:  L, С — индуктивности и емкости звеньев цепной схемы; Lпр2, Lпр1—предвключенный индуктивности источников э. д. с.; ИР1, ИР2 — испытуемые защитные разрядники

Характеристики защитных аппаратов, работающих в режиме ограничения коммутационных перенапряжений, могут быть определены после проведения их испытаний в условиях, близких к реальным. Наибольшую достоверность лабораторных исследований вентильных разрядников и ОПН в коммутационном режиме позволяет получить установка, воспроизводящая в соответствующем масштабе упрощенную схему энергосистемы. Такая установка [1] содержит модель линии передачи в виде цепной схемы, соединенную с одним или двумя источниками напряжения промышленной частоты. Схема, разработанная в ЛПИ им. М. И. Калинина (рис. 1), позволяет исследовать работу защитного аппарата в основных расчетных режимах возникновения коммутационных перенапряжений: включения линии электропередачи при нулевом и ненулевом зарядах на ней (АПВ) и разрыва передачи при различных длинах линии и вынужденной составляющей напряжения на разряднике, причем имеется возможность точного регулирования фазы включения выключателя В1 и начального напряжения на линии. Коммутация включения и АПВ осуществляются выключателем B1, разрыва передачи — выключателем В2.
Сравнение результатов экспериментальных исследований и расчетов на ЭВМ показывает, что имеется хорошее совпадение кривых напряжения на испытуемом защитном аппарате и тока через него в испытательной установке при числе звеньев цепной схемы, равном четырем или более, и в реальной линии с распределенными параметрами. Типичная осциллограмма напряжения на элементе вентильного разрядника РВМК-500П и тока через него при коммутации АПВ приведена на рис. 2. Испытуемый образец представлял собой 1/50 часть разрядника; действующее значение номинального напряжения образца

Uф= 1 /50. 500/√3 = 5,8 кВ; коммутации подвергалась модель линии длиной 450 км, вынужденное напряжение в точке установки разрядника равнялось U; начальное напряжение на линии U0 было принято близким к значению его математического ожидания U0 = 425/50 = 8,2 кВ.

Рис. 2. Типичная осциллограмма тока и напряжения на испытуемом разряднике в схеме рис. 1 при режиме АПВ: Up-  напряжение на разряднике; i—ток в разряднике; Up — начальное напряжение на искусственной линии
Схема для испытаний защитных аппаратов (см. рис. I) позволяет получить наиболее достоверные сведения об их дугогасящей и пропускной способности. Однако такая схема достаточно сложна, поскольку требует для своего осуществления мощных источников напряжения промышленной частоты. Поэтому нашли широкое применение более простые испытательные установки, также дающие возможность оценить ресурсы пропускной способности вентильных разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений.

На таких установках получают прямоугольные импульсы тока заданной амплитуды и длительности. Как правило, эти импульсы образуются при разряде на испытуемый образец цепной схемы, предварительно заряжаемой через высокоомное сопротивление от источника постоянного напряжения (рис. 3). Разряд схемы осуществляется с помощью шарового разрядника, на поджигающий электрод которого подается напряжение от схемы управления.

Рис. 3. Схема установки для получения прямоугольных импульсов тока L, С —индуктивности и емкости звеньев цепной схемы; Lвых— выходная индуктивность схемы; R1, R2, R4, Rk, Ск—сопротивления и емкость для улучшения формы импульса тока; ИО — испытуемый объект; R — сопротивление шунта тока; (Rд'—Сд') — (Rд" — Сд″) — делитель напряжения

В соответствии с ГОСТ 16357—70 прямоугольная волна представляет собой униполярную волну, быстро (за время не более 10% ее длительности) нарастающую до максимума и уменьшающуюся в течение заданной длительности не более чем на 10% (без учета колебаний), а затем спадающую до нуля за время, не большее 50% заданной длительности. По рекомендациям МЭК под прямоугольной импульсной волной понимается волна, которая быстро возрастает до максимальной величины, остается практически постоянной в течение установленного времени, а затем быстро падает до нуля. Параметрами, определяющими прямоугольную импульсную волну, являются полярность, амплитудное значение, условная длительность максимальной величины и условная полная длительность. За условную длительность максимальной величины прямоугольной волны принимается время, в течение которого мгновенное значение волны более 90% максимального значения. Полная условная длительность волны — это время, в течение которого мгновенное значение волны превышает 10% максимального значения. Если есть незначительные колебания на фронте волны, то должна быть вычерчена средняя кривая для определения момента достижения значения, равного 10%.
ГОСТ 16357—70 допускает следующие отклонения параметров импульса тока прямоугольной формы от нормируемого:

Как известно [2], для получения импульса, близкого к прямоугольному с относительно крутым фронтом и спадом тока до нулевого значения, необходимо, чтобы характеристическое сопротивление звена цепной схемы
z = √L/C было примерно равным сопротивлению нагрузки Rи. При т = (Rи/z) > 1 импульс напряжения не спадет до нуля, а при т < 1 после окончания импульса возникает обратный импульс, имеющий значительную амплитуду.
Испытания вентильных разрядников прямоугольными импульсами тока заданной амплитуды и длительности предусматриваются ГОСТ 16357—70, а также большинством зарубежных норм. Однако такие исследования пропускной способности в коммутационном режиме не всегда являются достаточно эквивалентными, поскольку при этом форма волны воздействующего при испытании тока существенно отличается от той, которая имеет место при воздействии коммутационных перенапряжений а сети. Кроме того, испытания проводятся, как правило, лишь на нелинейных резисторах разрядников и поэтому не учитывается влияние искровых промежутков, которое весьма существенно для разрядников с токоограничивающими промежутками (т. е. промежутками с большим падением напряжения) при протекании сопровождающего тока. Отсутствие искровых промежутков в испытуемых образцах не позволяет исследовать дугогасящую способность разрядника, связанную с его пропускной способностью.
Испытаниям прямоугольными импульсами тока заданной амплитуды и длительности по рекомендации МЭК [3, 4] подвергаются легкие разрядники с номинальным импульсным током 10 кА, а также разрядники с током 5 кА и 2,5 кА, Такие разрядники (соответствующие группам III и IV по ГОСТ 16357—70) испытываются прямоугольными импульсами, имеющими параметры, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Разрядники с током 10 кА тяжелого режима (т. е. соответствующие группе I по ГОСТ 16357—70) по рекомендациям МЭК [3] предлагалось испытывать одним из двух различных способов. Первый способ заключается в том, что разрядник подвергается воздействию импульсов тока, получаемых при разряде на испытуемый образец заряженной цепной схемы. При этом амплитуда и форма импульса не обусловлены, а параметры испытательной схемы находятся из условия моделирования сети, в которой работает разрядник (путем задания длины моделируемой линии, ее волнового сопротивления и кратности перенапряжений для каждого класса напряжения). Форма импульса тока через разрядник при таких испытаниях определяется не только параметрами испытательной схемы, но и характеристиками разрядника.
Второй способ, рекомендованный в настоящее время МЭК [4], аналогичен испытаниям прямоугольными импульсами тока, применяемым для легких разрядников. Однако при этом учитывается, что тяжелые разрядники могут содержать токоограничивающие искровые промежутки, которые не позволяют поддерживать на разряднике прямоугольную форму импульса тока. Поэтому характеристики испытательной установки (емкость, индуктивность и число звеньев цепной схемы) должны соответствовать некоторым требованиям, что проверяется перед испытаниями при специальных настроечных опытах на линейном сопротивлении заданной величины (табл. 2).

Таблица 2

* Для определения величины настроечного сопротивления по формуле
R настр = aUr, где Ur — наибольшее допустимое напряжение испытуемого образца (напряжение гашения).
** Для определения зарядного напряжения по формуле Uзар=βUг
Как указывалось, для получения с помощью цепной схемы импульса тока, близкого к прямоугольному, необходимо, чтобы волновое сопротивление генератора было примерно равным величине настроечного сопротивления, приведенного в табл. 2. Ориентировочная оценка волнового сопротивления проводится по формуле z = √L/C, где L и С — индуктивность и емкость ячейки генератора. Однако точное соответствие z и Rнастр должно быть проверено вычислением коэффициента
k =Uзар/2IRнастр. Очевидно, что при z ≥Rнастр> 1, а при z < Rнастр k< 1. Для Rнастр= z k= 1. Требования МЭК допускают изменение k в пределах 0,95 ≤ k ≤ 1,05.
Импульсный ток через настроечное сопротивление должен иметь практически прямоугольную форму, т. е. удовлетворять следующим требованиям:

1. условная длительность импульса расположена между 100% и 120% величины, нормированной в табл. 2;
2. условная полная длительность импульса не превышает 150% условной длительности амплитудного значения;
3. колебания, или первоначальный бросок, не превышают 10% амплитудного значения тока; если имеются колебания, амплитудное значение определяется путем вычерчивания средней кривой;
4. если импульс тока сопровождается кратким импульсом противоположной полярности, то амплитудное значение последнего составляет не более 10% основного импульса.

После окончания калибровочной процедуры проводятся испытания импульсами тока на испытуемых образцах. При этом зарядное напряжение в испытательной установке соответствует значениям, приведенным в табл. 2, если 1, или kUзар, если k> 1 (с учетом масштаба моделирования искусственной линии).
Пределы изменения k определяют допустимое расхождение между реальным волновым сопротивлением генератора и его теоретической величиной, равной Rнастр. Предусмотренное рекомендациями МЭК некоторое небольшое увеличение зарядного напряжения при k > 1 направлено на получение совпадения ожидаемого тока с предписанной величиной, когда сумма настроечного сопротивления Rнастр и сопротивления генератора z превышает 2Rнастр.
Класс разряда большой длительности, определяющий условия испытания разрядника импульсами тока большой длительности, зависит от точки подключения разрядника в реальной сети. В соответствии с [3] параметры линии передачи, которая может разряжаться через разрядник в условиях эксплуатации, заданы в зависимости от класса разряда большой длительности (табл. 3).

Таблица 3

В случае если условия работы разрядника в сети существенно отличаются от условий испытаний, определяемых табл. 2 и 3, необходимо выбирать такие испытания длинными импульсами тока, чтобы энергия импульса или амплитудное значение тока, протекающего через разрядник в эксплуатации, не превышали их значения, полученного при лабораторных испытаниях. При этом следует иметь в виду, что при более низких напряжениях определяющее значение имеет энергия импульса, а при более высоких — максимальное значение тока.

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время применяются различные методы исследования пропускной способности защитных аппаратов при их работе в режиме ограничения коммутационных перенапряжений. Каждый из этих методов в большей или меньшей степени отражает реальные условия работы аппаратов в сети и может применяться при разработке конструкций аппаратов или проведении их типовых испытаний.
2. Наибольшую достоверность имеют результаты испытаний в схеме, представляющей физическую модель реальной сети.