Согласно последним исследованиям для ЛЭП 220 кВ и выше по вышеприведенным формулам получают более завышенные величины

Основные виды грозовых и других перенапряжений приведены на рисунке 5.21.

5.6.3 Применение нелинейных ограничителей перенапряжений для молниезащиты

Нелинейные ограничители перенапряжений являются в настоящее время основным средством огра­ничения грозовых перенапряжений, возникающих при пораже­нии молнией линий электропередачи. Развитие производства полупроводников обеспечило к нача­лу 1970-х гг. создание материалов с резко нелинейными резистивными характеристиками на основе оксида цинка. В широком диапазоне изменения плотности тока (несколько порядков – от 1 до 1000 А/см²) напряжение на варисторах изменяется незначи­тельно – примерно на 30 %. Такие материалы позволили создать принципиально новые защитные аппараты – нелинейные ограни­чители перенапряжений или, согласно международной термино­логии, – «metal oxide arresters». Отличительной особенностью этих аппаратов является отсутствие в них искровых промежут­ков, предотвращающих протекание тока через колонки варисто­ров при рабочем напряжении, как это практиковалось при созда­нии разрядников на основе карбида кремния. И лишь при значи­тельном повышении напряжения на колонке варисторов сверх наибольшего рабочего напряжения ОПН ток через варисторы начинает быстро нарастать, ограничивая повышение напряже­ния на линиях или на подстанциях, где ОПН установлены. Это обстоятельство позволяет ставить колонку варисторов в ОПН непосредственно под рабочее напряжение, при котором ток че­рез варисторы составляет доли миллиампера, и обеспечивает значительно более эффективное воздействие ОПН на переход­ные электромагнитные процессы в электрических сетях и, соот­ветственно, более глубокое ограничение перенапряжений.

При воздействии рабочего напряжения на ОПН обеспечива­ется тепловой баланс варисторов: выделяемая в них теплота при протекании такого малого тока рассеивается в окружающее про­странство, исключая сколько-нибудь значительное повышение температуры свыше температуры окружающей среды. Обеспече­ние теплового баланса в ОПН при длительном воздействии рабо­чего напряжения является одной из важнейших задач конструкто­ров ОПН.

Основу ОПН составляют варисторы с их особой вольтамперной характеристикой (зависимостью напряжения на варисторах от тока через них, рисунок 5.21).

При малых плотностях тока через варисторы (до 0,03 А/см²) активная составляющая тока пренебрежимо мала. Через варистор в ОПН протекает в основном ёмкостный ток, определяе­мый высокой диэлектрической проницаемостью материала варисторов , пропорциональный приложенному к варистору напряжению U_B или средней напряженности Е_в = U_в/h_вэлектриче­ского поля по высоте h_в варистора

(5.20)

где ёмкость варистора

С_в = εS_в / h_в, (5.21)

S_в – площадь рабочей поверхности варистора; h_в – промышленная частота.

Соответственно, плотность ёмкостного тока через варистор

J_в.с = ωεЕ_в ≈ 0,55·10^-7fЕ_в . (5.22)

Следовательно, плотность тока в варисторах, изготовленных из одинаковых материалов, не зависит от размеров варисторов, а определяется только промышленной частотой/и средней напря­женностью электрического поля Е_в по высоте варистора.

При увеличении плотности ёмкостного тока через варисторы свыше 0,03 мА/см² (эффективное значение) увеличение актив­ной составляющей тока через варистор нарушает пропорцио­нальное изменение тока через варистор и напряжения на нём. Рост напряжения постепенно замедляется (рисунок 5.22) вплоть до плотности ёмкостного тока около J_BC ~ 0,036 мА/см² (эффектив­ное значение), когда максимальное значение активной составляющей тока через варистор достигает амплитуды ёмкостного то­ка (рисунок 5.23).

Это значение тока определяет начало рабочей (пологой) час­ти вольтамперной характеристики варистора (рисунок 5.23), когда из­менение тока через варистор (и соответственно плотности тока) на шесть порядков приводит к повышению напряжения на варисторе всего на (20–30)%. При дальнейшем увеличении тока через варисторы (при токе свыше 1000 А) рост напряжения на варисторе значительно увеличивается (рисунок 5.24).

Рисунок 5.22 – Вольт-амперные характеристики варисторов различных диаметров: 1 – Ø 45 мм (ЦЭЗА); 2 – Ø 60 мм (ЦЭЗА); 3 – Ø 85 мм (КНР, СФЗ); 4 – Ø 115 мм (КНР, СФЗ); 5 – Ø 86 мм (Магнетон); 6 – Ø 115 мм (Магнетон)

Рисунок 5.23 – Зависимость напряжённости электрического поля в варисторе Ø 85 мм (Магнетон) от тока через него (шкала тока линейная)

Плотность тока, соответствующая началу рабочей части вольт-амперной характеристики варисторов приблизительно 0,036 А/см² (действующее значение), называется классификационной плотностью тока. Соответствующий ток называется классификационным током и обозначается U_в.кл. Напряжение на варисторе при классификационном токе называется классификацион­ным напряжением и обозначается U_BK11. Классификационный ток и классификационное напряжение являются основными па­раметрами варисторов, определяющими их выбор при конструи­ровании и комплектации ОПН. При заданной классификацион­ной плотности тока J_в.кл ≈ 0,036 мА/см² классификационные токи варисторов разных диаметров (амплитудные значения) приведе­ны в таблице 5.4.

­

Рисунок 5.24 – Изменение во времени классификационного напряжения на варисторе (1), ёмкостной составляющей тока через варистор (2), активной составляющей тока через варистор (3) при классификационном токе

Начиная с классификационного напряжения (классификаци­онного тока) вольт-амперная характеристика варисторов описы­вается степенной функцией

U_в = АI = AS J , (5.23)

где А и а – постоянные вольтамперной характеристики варистора.

Постоянная А определяется подстановкой в соотношение (5.24) классификационного напряжения и классификационного тока варистора

А = U / I = U /(SI J ) , (5.24)

Таблица 5.4 – токи варисторов разных диаметров (амплитудные значения)

Диаметр варистора, мм
Рабочая площадьваристора, см2	9,8	19,6	39,2	58,8	78,4	98,0	117,6
, мА	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0
, мА	0,28	0,56	1,13	1,7	2,3	2,8	3,4	4,0	4,5

что позволяет переписать уравнение вольтамперной характери­стики варисторов в виде

U_в = U_в.кл (I_в /I_в.кл)^α = U_в.кл (J_в /J_в.кл)^α , (5.25)

Для определения постоянной а необходимо переписать урав­нение вольтамперной характеристики варистора при заданных напряжении и токе (плотности тока) в произвольной части его вольтамперной характеристики, например, на краю её пологой рабочей части или при любом граничном токе I_гр используемого для ОПН диапазона вольт-амперной характеристики варистора. При этом постоянная α определяется формулой

(5.26)

Эти соотношения наглядно иллюстрируют роль классифика­ционных параметров варистора в определении его защитной ха­рактеристики.

Вычисленные по формуле (5.26) коэффициенты нелинейно­сти ос для вольт-амперных характеристик различных варисторов, согласно рисунка 5.21, приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 – характеристик различных варисторов, согласно рисунка 5.21

Номер кривой на рис. 5.21	Постоянная α при
Iгр=1000 А	Iгр = 5000 А	Iгр = 10000 А
	0,027	0,033	0,035
	0,021	0,029	0,031
	0,022	0,027	0,029
	0,023	0,028	0,030

В связи с тем, что, согласно данные экспериментов, ток через ва-ристоры, установленные в электрических сетях, не может превы­сить 5 кА, можно принять коэффициент нелинейности вольт-амперных характеристик варисторов для оценки их защитного эф­фекта на уровне α = 0,028.

Многочисленными экспериментами установлено, что при обеспечении достаточной теплоотдачи варисторов в конструк­ции ОПН длительно допустимое напряжение на варисторе в экс­плуатации, обеспечивающее необходимый срок службы ОПН (30 лет),

U_{раб.наиб}= U_р.н = (0,8-0,85)U_в.кл , (5.27)

и, соответственно, длительно допустимая средняя напряжённость электрического поля по высоте варисторов

U_в.р.н = U_р.н /h_в (0,8-0,85)Е_в.кл = (0,8-0,85)U_в.кл /h_в, (5.28)

согласно формуле (5.22), при действующем значении класси­фикационной плотности тока J_в.кл = 0,036 А/см² при минимальной плотности тока из указанного выше диапазона длительно допус­тимых плотностей тока напряжённость

кВ/м=1,05 кВ/см. (5.29)

Параметр Е_в.р.н чрезвычайно важен для обеспечения эксплуа­тационной способности ограничителя. Обычно он задается про­изводителем на уровне Е_в.р.н ≈ (1–1,05) кВ/см. Однако следует иметь в виду, что в зависимости от конструкции ограничителя (материал и толщина покрышки, размер внутренней полости ме­жду покрышкой и варисторами, её заполнение) условия теплооб­мена варисторов с окружающей средой значительно изменяются. Поэтому и допустимое значение параметра Е_в.р.н должно коррек­тироваться в зависимости от конструкции ОПН. Для этого пред­усмотрены испытания варисторов на старение в течение 1000 ч в макете, составляющем точную копию части ОПН определённой конструкции. При этом положительный результат испытаний ва­ристоров на старение в одной конструкции макета ОПН не мо­жет быть распространен на другие конструкции с другими разме­рами и другими материалами.

Увеличение сопротивления тепловому потоку от варисторов в окружающее пространство требует снижения наибольшей до­пустимой напряженности электрического поля в варисторах. Не­учёт этого обстоятельства является одной из основных причин повреждения ОПН в эксплуатации. По этой причине в ряде случаев производитель не указывает допустимую наибольшую рабо­чую напряжённость, а указывает классификационный ток I_в..кл и соответствующее ему напряжение промышленной частоты (дей­ствующее напряжение U_в..кл или амплитудное напряжение U_в..кл.м ).

При длительно допустимом рабочем напряжении активный ток через варисторы пренебрежимо мал по сравнению с ёмкост­ным током, значения которого для варисторов различных диа­метров, согласно таблице 5.4, вычисленные по формуле (5.22), приве­дены в четвёртой строке таблицы 5.5 (действующие значения). Разу­меется, при меньшем напряжении на варисторе обеспечивается ещё более надёжная работа варисторов в конструкции ОПН, од­нако при этом повышается остающееся напряжение на ОПН при воздействии перенапряжений (грозовых и коммутационных). По­этому уменьшение рабочей напряженности электрического поля ниже соответствующей формуле (5.28) нецелесообразно.

Необходимая высота колонки варисторов определяется деле­нием наибольшего рабочего напряжения ОПН на длительно до­пустимую напряженность электрического поля Е_{в я} в варисторе. При повышении наибольшего рабочего напряжения высота ко­лонки варисторов увеличивается. При этом ёмкостный ток, проходящий с поверхности варисторов на землю и с подводящего шлейфа на варисторы, увеличивается, что приводит к неравно­мерности распределения напряжённости электрического поля вдоль колонки варисторов. Если не приняты меры для выравни­вания распределения напряжённости электрического поля вдоль колонки варисторов, напряжённость в части варисторов колонки может быть значительно больше средней напряженности, а в другой части колонки – меньше средней. Увеличение напряжён­ности электрического поля в варисторах приводит к увеличению активного тока через них в соответствии с их вольтамперной ха­рактеристикой (см. рисунок 5.21), к их перегреву и преждевременному повреждению. Поэтому степень неравномерности распределения напряжённости электрического поля вдоль колонки

К_н.р = Е_в.макс / Е _в.ср . (5.29)

должна быть ограничена специальными мерами. Расчёты пока­зывают, что степень неравномерности может быть ограничена до уровня К_н.р = 1,05.

С учётом изложенного, высота колонки варисторов в ОПН определяется соотношением

. (5.30)

Таблица 5.6 – Высота колонки варисторов для ОПН в сетях с изолированной нейтралью

Наибольшее рабочее напряжение ОПН, кВ	3,6	7,2		17,5		26,5		40,5
Высота колонки варисторов, Нк, мм

Таблица 5.7 – Высота колонки варисторов для ОПН в сетях с глухозаземлённой нейтралью

Наибольшее рабочее напряжение ОПН, кВ
Высота колонки варисторов, Нк, мм	0,73	1,0	1,45	2,1	3,03	4,5	6,93

В таблицах 5.6 и 5.7 приведены результаты вычислений по фор­муле (5.17) минимальных высот колонки варисторов для ОПН, работающих в сетях с изолированной (таблица 5.6) и глухозаземлённой (таблица 5.7) нейтралью при Е_в.р.н = 1,05 кВ/см и К_н.р = 1,05.

Дополнительный ёмкостный ток протекает через варисторы при увлажнении их поверхности, так как при этом резко из­меняется распределение напряжения вдоль варисторов, и воз­никает большая разность потенциалов между увлажнённой по­верхностью покрышки и варисторами. Эта разность потенциа­лов и является причиной появления дополнительного тока че­рез варисторы, который может многократно превосходить ток при рабочей напряженности электрического поля (градиенте потенциала). Повышенный ток через варисторы при длитель­ном увлажнении приводит к повышению градиента потенциа­ла в них, увеличению активного тока и, как следствие, к нару­шению теплового баланса, перегреву варисторов и их прежде­временной деградации. Этой проблеме также посвящен от­дельный пункт книги.

При перенапряжениях активный ток через варисторы много­кратно превосходит ёмкостной ток, что исключает возможность неравномерного распределения напряжения вдоль колонки вари Однако при этом возникает другая проблема. Повышенный ток через варисторы (до сотен и тысяч ампер при коммутацион­ных перенапряжениях и до десятков килоампер при грозовых пе­ренапряжениях) нарушает тепловой баланс, так как при этом на­капливаемая варисторами тепловая энергия не успевает рассе­яться в окружающую среду. Поэтому колонка вариаторов долж­на иметь достаточную энергоёмкость, чтобы после прекращения воздействия перенапряжения постепенно восстановить тепловой баланс и продолжить работу ОПН без повреждения.

Энергоёмкость ограничителя вычисляется по формуле

Э = I _к.2U_ост (I_к.2)Tn_и

где I_к2 – ток прямоугольного импульса длительностью Т – 2 мс; U_ост (I_к.2) – остающееся напряжение на ОПН при этом токе; Т = 2 мс, п_и – расчётное число воздействующих импульсов, обычно принимаемое равным единице (или реже п_и = 2). Поэтому расчёт­ный ток I_к.2 является одной из важнейших характеристик ОПН, определяющих площадь варисторов и их диаметр.

Допустимая плотность тока при воздействии прямоугольного импульса тока длительностью 2 мс, имитирующего воздействие коммутационных перенапряжений, слабо уменьшается при уве­личении площади варисторов. Приблизительно эта зависимость может быть аппроксимирована формулой

J_доп = 27 – 4,5 lg S_в , (5.32)

что определяется изменением условии теплоотдачи варисторов (S_в, см²; J_доп , А/см²).

Следовательно, при заданном токе I_к прямоугольного им­пульса необходимая площадь варисторов

S_в = I_к /(27 – 4,5 lg S_в)., (5.33)

Решается это уравнение методом последовательных прибли­жений.

Различают варисторы пяти классов, соответствующих раз­личным пропускным способностям по току I_к коммутационного импульса и разрядному току I_p грозового импульса. Соответству­ющие данные варисторов приведены в таблице 5.8. При этом пло­щади SB варисторов определены по формуле (5.33).

Таблица 5.8 – Основные данные варисторов для классификации по 5 классам

Класс варисторов
Iк , А Iк , А Sв, см2 dв, мм	250–400 5–10 11–18,6 38–49	401–750 10–20 18,6–38 49–70	751–1100 10–20 38–57,7 70–86*	1101–1600 10–20 57,7–87,5 86*–105*	1601–2100 10–20 87,5–119 105*–123*
Примечание: при наличии отверстий в варисторах отмеченные звёздочками диаметры соответственно увеличиваются.

В третьей строке (таблице 5.8) приведены так называемые но­минальные разрядные токи варисторов, являющиеся максималь­ными значениями импульсов токов через ОПН с длиной фронта 8 мкс и длиной импульса (до полуспада) 20 мкс (8/20 мкс), имити­рующие воздействие грозовых импульсов тока, 20-кратное воздействие которых должны выдержать эти варисторы. Эти максимальные значения импуль­сов многократно превосходят реальные грозовые импульсы тока в эксплуатации, но по длительности они значительно меньше ре­альных импульсов тока молнии отрицательной полярности. Эти расхождения определяют необходимость согласова­ния испытательных импульсов тока с реальными токами молнии в электроэнергетических сетях.

При заказе ограничителей перенапряжений задаются остаю­щиеся напряжения при воздействии грозовых напряжений U_ост.гр и коммутационных напряжений U_ост.к импульсов при соответству­ющих токах грозовых I_гр и коммутационных I_к импульсов. Поэто­му необходимо проверить соответствие остающихся напряжений при заданных токах грозовых и коммутационных перенапряже­ний и высоте колонки варисторов, выбранной согласно формуле (5.30) по условию обеспечения надёжной работы при длительном воздействии напряжений

U_ост.к = H_к E_в (I_к) , (5.34)

U_ост.гр = H_к E_в (I_гр) , (5.35)

где E_в(I_гр) и E_в(I_к)) – градиенты напряжения варисторов при рас­чётных токах грозовых и коммутационных перенапряжений в со­ответствии с вольтамперными характеристиками варисторов.

Если требования по остающимся напряжениям при грозо­вых и коммутационных перенапряжениях согласуются с вольт-амперными характеристиками варисторов, вычисленными по формулам (5.34) и (5.35), на этом выбор колонки варисто­ров заканчивается. Если вычисленные по формулам (5.34) и (5.35) остающиеся напряжения больше заданных, то необходи­мо использовать варисторы большего класса (большего диа­метра).

Выбранную высоту колонки Н_к.пер по условию ограничения перенапряжений (Н_к.пер ≤ Н_к.гр; Н_к.пер ≤ Н_к.к) необходимо сравнить с высотой колонки Н_к.мин, обеспечивающей надёжную работу при наибольшем рабочем напряжении согласно формуле (5.30). Если требуемая по условиям ограничения перенапряжений высота ко­лонки варисторов больше или равна Н_к.мин (Н_{к.пер.мин} ≥ Н_к.мин), то проблемы нет. Высота колонки принимается равной Н_{к.пер.мин}, по­скольку она же обеспечивает надёжную работу ОПН при наи­большем рабочем напряжении.

Можно отметить, что современные варисторы обеспечивают ограничение коммутационных перенапряжений до уровня 1,8 U_ф.н.р (при расчётном токе пропускной способности) и грозовых перенапряжений (при номинальном разрядном токе) до уровня (2,0–2,2) U_ф.н.р. Если же использовать вари­сторы большей пропускной способности, то можно обеспечить более глубокое ограничение перенапряжений: коммутацион­ных – до уровня 1,6 U_ф.н.р и грозовых – до уровня (1,8–2,0) U_ф.н.р.

При недостаточной компенсации избыточной реактивной мощности в электрической сети возможно ограниченное во време­ни повышение напряжения промышленной частоты сверх наи­большего рабочего напряжения. При этом варисторы ОПН не должны перегреться и деградировать. В этом случае должны быть согласованы с заданными длительностями повышения напряже­ния промышленной частоты характеристики ОПН, как правило, за счёт снижения рабочих градиентов напряжения Е_в.р.н варисторов и, соответственно, за счёт увеличения минимальной высоты ко­лонки Н_к.мин и увеличения остающегося напряжения на ОПН.

Следует отметить, что при определении необходимой энерго­ёмкости ОПН часто используется упрощенная методика расчёта переходных процессов в электрических сетях без учёта наличия ОПН, а необходимую энергоёмкость ОПН определяют исходя из требования поглощения энергии электромагнитного поля линии для ограничения перенапряжений до уровня остающегося напря­жения ОПН. Такая методика приводит к существенному за­вышению необходимой энергоёмкости ОПН, поскольку неогра­ниченные ОПН перенапряжения значительно превышают воз­можные перенапряжения при наличии ОПН. Необходимая энергоёмкость ОПН при её оценке в результате расчётов, выполненных при отсутствии ОПН и при наличии ОПН, различается на порядок величин. При современ­ном программном обеспечении выполнение расчётов перенапря­жений в электрических сетях с учётом нелинейных характери­стик ОПН вполне доступно на инженерном уровне.

Другая ошибочная позиция в отношении выбора параметров ОПН заключается в том, что предполагается возможность зна­чительного повышения напряжения промышленной частоты в электрических сетях сверх нормированного наибольшего рабо­чего напряжения сети соответствующего класса напряжения. При таком допущении рекомендуется увеличивать наиболь­шее рабочее напряжение ОПН по отношению к наибольшему рабочему напряжению сети, что приводит к повышению остаю­щихся напряжений ОПН и, соответственно, существенно снижает эффективность использования ОПН. Возможность повышения напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения действи­тельно существует при отсутствии в сетях необходимых регули­руемых устройств компенсации избыточной реактивной мощно­сти линий электропередачи. Однако это означает только, что в электрических сетях не выдерживаются нормы проектиро­вания, поскольку при достаточном оснащении сетей регулируе­мыми устройствами избыточной реактивной мощности повыше­ние напряжения сверх наибольшего рабочего напряжения может быть полностью исключено, в том числе и в несимметричных ре­жимах работы линий.

Производство варисторов развивалось постепенно, начиная с малых их диаметров (15–30 мм) и малых высот (до 10 мм). В свя­зи с этим ОПН комплектовались из нескольких параллельных колонок варисторов. Так, Корниловским фарфоровым заводом производились ОПН-110 кВ с четырьмя параллельными колон­ками, а ОПН-750 кВ – с 30 параллельными колонками. Помимо громоздкости (большого объёма и массы), такие ограничители имеют еще один существенный недостаток. Дело в том, что по­добрать варисторы с одинаковыми характеристиками во всем ди­апазоне возможного изменения тока через них – от долей милли­ампер при рабочем напряжении до сотен и тысяч ампер при воз­действии перенапряжений – чрезвычайно трудно.

Таблица 5.9 – Основные параметры варисторов

Поэтому прак­тически ток по колонкам распределяется неравномерно, что при­водит к ускоренному старению колонок с наибольшими токами и в конечном счёте - к преждевременному повреждению ОПН. Поэтому во всех странах, производящих ОПН, постепенно осва­ивалось производство варисторов бóльшей площади (и, соответ­ственно, бóльшего диаметра), чтобы исключить необходимость создания многоколонковых ОПН, а обеспечить весь необходимый ряд пропускных способностей (энергоёмкостей) ОПН б одноколонковом варианте. При этом была увеличена и высота варисторов. Параметры варисторов некоторых производителей приведены в таблице 5.9.

Первоначально колонки варисторов, комплектуемые в соот­ветствии с заданной их пропускной способностью и заданным ра­бочим напряжением, помещались в фарфоровые корпуса. Мно­гие фирмы до сих пор предпочитают выпускать такие ограничи­тели. При этом в эксплуатации выявился существенный недоста­ток такого исполнения ОПН: при повреждении варисторов внут­ри ограничителя возникает дуга, разогревающая внутренний объём и вызывающая интенсивное газовыделение. В результате повышения давления в замкнутом объёме происходит разрыв фарфоровой покрышки с разлетом осколков фарфора и варисто­ров во всех направлениях. При этом повреждаются фарфоровые изоляторы расположенного рядом высоковольтного оборудова­ния и не исключены травмы обслуживающего персонала. В свя­зи с этим были сформулированы требования к конструкциям ОПН по взрывобезопасности, сводящиеся к тому, чтобы при по­вреждении варисторов в ОПН разлет осколков был ограничен окружностью радиусом 1 м.

Для удовлетворения этих требований взрывобезопасности в металлические фланцы ОПН встраиваются клапаны, сбрасывающие давление газов и предотвращающие взрыв ОПН. Однако для этого потребовалось обеспечить движение газов внутри ОПН от места повреждения варисторов до клапана. Это требование опре­делило наличие специальной полости по всей высоте ОПН, кото­рая в ряде случаев заполняется кварцевым песком, чтобы избе­жать проникновения влаги в полость. Однако наличие внутренней полости, не заполненной герметикой, не исключает возможность проникновения влаги внутрь ОПН и перекрытия по внутренней поверхности фарфоровой покрышки и по поверхности столба ва­ристоров. Поэтому в принципе проблему взрывобезопасности ОПН в фарфоровых корпусах нельзя считать решенной.

С конца 1980-х-начала 1990-х гг. начало активно развиваться другое направление развития конструкции ОПН – в полимерных корпусах. Основу полимерного корпуса составляет стеклопластиковый цилиндр, изготовленный из стекловолокна или стекло­ткани, пропитанной эпоксидным компаундом горячего отвер­ждения (при температуре около 150 °С). При отработанной тех­нологии производства такого материала его электрическая проч­ность при напряжении промышленной частоты более 3 кВ/мм, что достаточно для производства ОПН, поскольку для обеспече­ния надёжной работы ОПН принимаются специальные меры для обеспечения равномерного распределения напряжения вдоль ко­лонки при рабочем напряжении.

Как правило, наибольшее рабочее напряжение на ОПН длиной 1 м не превосходит 100 кВ (действующее значение). Следовательно, в нормальном рабочем режиме напряженность поля в стеклопластике не превышает 1 кВ/см. При коммутацион­ных перенапряжениях это значение может увеличиться до кВ/см (максимальное значение), а при грозовых перенапряжениях – до . Во всех случаях обеспечи­вается достаточный запас электрической прочности. Стеклопластик обладает высокой механической прочностью:

при растяжении – 5 кгс/см²;

при сжатии –1,5 кгс/см²;

при изгибе – 5 кгс/см².

Как видно, механическая прочность стеклопластика прибли­жается к прочности стали. Однако модуль упругости стеклопла­стика значительно меньше (6 · 103 кН/см² вместо 2 · 104 кН/см² у стали). Поэтому до разрушения при изгибе стеклопластиковая труба может существенно изогнуться. Это обстоятельство следу­ет иметь в виду при выборе поперечных размеров покрышки ОПН опорного исполнения.

Высокая механическая прочность стеклопластика позволяет ограничить стенки стеклопластиковой трубы толщиной не более 1 см; при этом малая удельная плотность (около 1,8 г/см³) обеспе­чивает чрезвычайно малую массу стеклопластиковой основы по­лимерного изолятора (таблица 5.10).

Таблица 5.10 – Зависимость массы стеклопластиковой трубы от её диметра и толщины стенки

Внутренний диаметр трубы, мм	Толщина стенки, мм	Масса при длине 1 м, кг
		2,25 3,30 5,65 7,35 8,50

Существенным недостатком стеклопластика на эпоксидной основе является его нестойкость к атмосферным воздействиям и воздействиям частичных дуговых разрядов на его поверхности при увлажнениях. При высоком качестве стеклопластика про­никновение влаги в него ограничено (около 0,1 %), однако доста­точно, чтобы при колебаниях температуры разрушить поверхно­стный слой связующего (эпоксидного компаунда). Частичные ду­говые разряды образуются при увлажнении поверхности изоля­тора вследствие протекания по ней токов утечки. При этом выде­ляется теплота, достаточная для подсушки отдельных пятен на поверхности изолятора. Эти подсушенные пятна быстро превра­щаются в подсушенные кольца, так как ток утечки, обходя под­сушенное пятно, концентрируется в прилегающих к пятну облас­тях в поперечном к линиям тока направлении. Подсушенная кольцевая зона тотчас перекрывается, так как к ней оказывает­ся приложенным все напряжение, воздействующее на изолятор (при одной подсушенной кольцевой зоне). После перекрытия возникает дуга с падающей вольт-амперной характеристикой и с температурой в стволе около 4000 °С. При этом температура опорных точек этих дужек не может быть больше 100 °С, так как они располагаются по краям разорванного слоя влаги. Быстрая подсушка влаги в опорных точках дужки вынуждает её постоян­но перемещаться вдоль подсушенной кольцевой зоны. А тонкий слой воздуха между стволом дужки и сухой поверхностью стекло­пластика предохраняет его от быстрого сгорания.

Однако высокая температура в стволе дужек приводит к дис­социации молекул газов, составляющих воздух. Молекулы кис­лорода распадаются на атомы, а атомарный кислород является активным окислителем. В соединении с молекулами кислорода атомарный кислород достигает поверхности стеклопластика в составе молекул озона (О3), который легко отдает лишний атом поверхности стеклопластика. А тот, в свою очередь, разрушает эпоксидный компаунд с выделением на поверхности стеклопла­стика углерода. Постепенное накопление на поверхности стекло­пластика проводящего углерода приводит в конечном счёте к резкому изменению условий горения дуги: её опорные точки сме­щаются с влажного слоя на проводящую поверхность стеклопла­стика и фиксируются на нем, вызывая разогрев стеклопластика и соответственно его разрушение. Эта завершающая часть процес­са (разрушения) поверхности стеклопластика развивается чрез­вычайно быстро, образуя науглероженные дорожки (треки). По­этому стойкость материалов к поверхностным частичным разря­дам получила название трекингостойкости. Несмотря на чрезвы­чайные усилия ведущих исследовательских центров мира, полу­чить стеклопластик, стойкий к воздействию климатических усло­вий и трекингостойкости, не удалось. Успехом закончились лишь разработки стеклопластика с защитным трекингоэрозиостойким покрытием из кремнийорганической резины. В этом материале углерод полностью замещен кремнием. При его частичном раз­рушении под воздействием агрессивной среды на поверхности выпадает непроводящий белый порошок, легко сдуваемый вет­ром. При толщине защитного слоя 5 мм в течение 30 лет сохра­няются его защитные свойства.

Связь двух разнородных материалов (кремнийорганической резины и стеклопластика) обеспечивается с помощью специаль­но разработанных адгезивов, имеющих химическое сродство как со стеклопластиком (с эпоксидным компаундом), так и с крем­нийорганической резиной. В результате получается монолитный материал с высокими механическими, электрическими и клима­тическими свойствами. Такой материал позволил создать весьма экономичную конструкцию ОПН, удовлетворяющую всем тре­бованиям эксплуатации. Колонка варисторов помещается внутрь стеклопластикового цилиндра с зазором между внутренней по­верхностью цилиндра и варисторами, обеспечивающим возмож­ность заливки в образовавшуюся полость герметика. На обоих концах изоляционной трубы (стеклопластик с защитным ребри­стым покрытием из кремнийорганической резины) укрепляются металлические оконцеватели. Между верхним оконцевателем и колонкой варисторов устанавливается пружина, развивающая усилие не менее 1 кгс на 1 см² поверхности варисторов для обес­печения достаточного контакта между варисторами.

После сборки и проверки характеристик колонки варисторов заливается внутренняя полость ОПН герметиком под вакуумом. Герметик должен быть достаточно эластичным, чтобы при всех температурных изменениях не произошло его отслоение от вну­тренней поверхности стеклопластикового корпуса и от поверхно­сти варисторов.

Другое очень существенное требование к герметику - малый его объём, чтобы при изменениях температуры герметика не со­здались большие механические напряжения в стеклопластиковом цилиндре. В конструкции ОПН ЦЭЗА толщина слоя герме­тика между варисторами и стеклопластиковым цилиндром соста­вляет (2–2,5) мм.

В процессе эксплуатации ОПН возможно повреждение вари­сторов, хотя этот случай можно отнести к весьма редким. При раз­рушении варисторов возникает электрическая дуга, которая вызы­вает быстрое повышение температуры внутри ОПН до нескольких тысяч градусов, что приводит, соответственно, к резкому повыше­нию давления внутри ОПН. Для сброса этого давления в стеклопластиковых цилиндрах предусмотрены круглые отверстия, заполненные в процессе напрессовывания резины резиновыми пробка­ми. Повышение давления герметика приводит к выдавливанию этих пробок, образованию отверстий, через которые сбрасывается избыточное давление, без разрушения корпуса ОПН.

При увеличении класса напряжения ОПН его высота увели­чивается, что приводит к значительному усложнению монтажа изделий. В этом случае целесообразно перейти к модульному принципу исполнения ОПНп, как это делают практически все из­готовители ОПНп, когда ОПНп состоит из двух или нескольких модулей, в зависимости от класса напряжения.

5.7 Режимы нейтрали электрической сети напряжением (6 – 35) кВ

Под режимом нейтрали электрической сети понимается сово­купность состояний нейтралей всех обмоток данного напряжения генераторов и силовых трансформаторов, электрически связанных между собой посредством линий электропередачи.