Вопрос Защита от перенапряжений. Принципы защиты, защитные аппараты. Требования к защитным аппаратам

Опасному воздействию электрооборудование энергетических систем подвергается не только при прямых ударах молнии. При ударах молнии в линии электропередачи по ним начинают распространяться импульсы грозовых перенапряжений. Достигнув электрооборудования, они могут вызвать нарушение изоляции и тем самым привести к аварийной ситуации. Предотвращение появления на электроустановках импульсов перенапряжений, опасных для ее изоляции, осуществляется с помощью защитных аппаратов. В настоящее время в энергетических системах применяются следующие защитные аппараты: защитные искровые промежутки (ПЗ), трубчатые разрядники (РТ), вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). В последние годы в России были разработаны и вводятся в опытную эксплуатацию длинно-искровые разрядники (РДИ).

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, который включается параллельно изоляционной конструкции.Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная ха-рактеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой. При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании по линии грозового импульса с/пад с амплитудой, превышающей допустимое напряжение для изоляции, в момент прихода его на ПЗ происходит электрический пробой искрового промежутка с последующим резким падением («срезом») напряжения. До изоляционной конструкции доходит только срезанный импульс, амплитуда которого уже меньше допустимого импульсного напряжения.

Трубчатые разрядники

Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название

защитных разрядников. В настоящее время к ним относятся РТ, РВ и РДИ.В.трубчатых.разрядниках.Гашение.дуги.Сопровождающего.Тока. происходит.в.результате.интенсивного.продольного.дутья.Защитное действие РТ характеризуется его вольт-секундной характеристикой и сопротивлением заземления. Вольт-секундная характеристика определяет напряжение срабатывания разрядника, а сопротивление заземления - остающееся на разряднике после его срабатывания импульсное напряжение. Вольт-секундная характеристика зависит от длины внешнего и внутреннего промежутков разрядника и имеет вид, характерный для промежутков с резконеоднородным полем. Длина внешнего искрового промежутка выбирается по условиям защиты изоляции и может регулироваться в определенных пределах. Длина внутреннего искрового промежутка устанавливается в соответствии с дугогасящими свойствами разрядника и регулированию не подлежит. Для успешного гашения дуги сопровождающего тока необходимо достаточно интенсивное генерирование газа в трубке, которое зависит от проходящего тока. Поэтому имеется нижний предел токов, которые надежно отключаются трубчатым разрядником. При больших токах слишком интенсивное газообразование может привести к чрезмерному повышению давления и разрыву трубки или срыву наконечников. Поэтому для трубчатых разрядников устанавливается также верхний предел отключаемых токов, при котором гашение дуги еще не может сопровождаться механическим повреждением разрядника. Значения верхнего и нижнего пределов отключаемых токов зависят от размеров внутреннего канала разрядника. Уменьшение длины внутреннего промежутка, а также увеличение диаметра канала разрядника приводят к смещению обоих пределов отключаемых токов в сторону больших значений.

Поскольку работа трубчатого разрядника сопровождается выхлопом сильно ионизированных газов, расположение их на опоре должно быть таким, чтобы выхлопные газы не вызывали междуфазных перекрытий или пе-рекрытий на землю. Для этого в зону выхлопа не должны попадать токове-дущие части других фаз, заземленные конструкции, а также зоны выхлопов разрядников, защищающих другие фазы.

Вентильные разрядники

Вентильные разрядники применяются для защиты изоляции электро-оборудования подстанций. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последова-тельно с ним резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 3.4). При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольтамперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении импульсного тока. Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение UOCT, представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (5-14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации IК.

Остающееся напряжение и близкое к нему по значению импульсное пробивное напряжение искрового промежутка РВ £/пр должны быть на 20-25 % ниже разрядного или пробивного напряжения защищаемой изоляции (координационный интервал).

Вслед за импульсным током через РВ проходит сопровождающий ток промышленной частоты, величина которого зависит от сопротивления нели-нейного резистора. Сопротивление же нелинейного резистора при рабочем напряжении такое большое, что возникающий достаточно слабый сопровож-дающий ток не способен поддержать дуговое СОСТОЯНИЯ в искровом проме-жутке разрядника. В результате при переходе тока через нулевое шаченис дуга в искровом промежутке гаснет.

Длинно-искровые разрядники

Длинно-искровые разрядники были изобретены в середине 90-х годов 20-го столетия в России (г. Санкт-Петербург). На напряжение 6-10 кВ разра-ботаны несколько разновидностей таких разрядников: петлевой РДИ10-П, модульный РДИ 10-М, в виде изоляционной трубки РДИ10-ИТ, в виде изоля-тора-разрядника ИРДИ10. В настоящее время ведется разработка РДИ на класс напряжения 35 кВ и выше. Для всех РДИ характерна простота конст-рукции и невысокая стоимость.

Принцип действия РДИ основан на свойстве скользящего разряда пе-рекрывать при грозовых перенапряжениях такие расстояния, при которых рабочее напряжение сети не способно поддерживать силовую дугу тока промышленной частоты. В результате после окончания грозового импульса РДИ приходит в исходное состояние.

. Нелинейные ограничители перенапряжений

Основным элементом конструкции ОПН является резистор из метал-лооксидной керамики на основе окиси цинка (ZnO). Такие резисторы обла-дают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Характерной их особенностью является экстремально нелинейная вольт-амперная характеристика (рис. 3.9), независящая от полярности напряжения. В области малых значений тока, соответствующих воздействующим напряжениям ниже уровня длительного допустимого рабочего напря-жения, значение сопротивления резистора превышает 10 Ом. В области значений тока, превышающих предельные нормируемые для данного резистора значения импульсных токов, сопротивление резистора составляет десятые доли ома. В связи с этим при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через ОПН проходит ток порядка долей миллиампера. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения грозовых и внутренних перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность. ОПН применяются в настоящее время в диапазоне напряжений от 0,2 до 750 кВ.

Применение ОПН позволяет глубоко ограничивать также и междуфазные перенапряжения. Для этого может быть использована схема с искровыми промежутками (рис. 3.12). В нормальном режиме каждый резистор НР1 - НР2 включен на фазное напряжение. При коммутационных перенапряжениях, которые всегда несимметричны, пробиваются искровые промежутки ИП. Вследствие этого резисторы НР2 соединяются параллельно, а резисторы НР1 включаются попарно на междуфазные напряжения. С вос-становлением нормального режима ток в искровых промежутках снижается до миллиампер и дуга в них гаснет.

Перечисленные явные технические и эксплуатационные преимущества ОПН приводят к тому, что в последнее время они постепенно заменяют РТ и РВ во всех областях их применения.