Нелинейные ограничители перенапряжений

Цель работы: изучить конструкцию и основные характеристики ограничителей перенапряжения, которые применяются для защиты электрооборудования от грозовых и внутренних перенапряжений.

Пока основным средством защиты электрооборудования от грозовых перенапряжений являются вентильные разрядники, которые используются на всех подстанциях 35 кВ и выше, если к ним подходят воздушные линии.

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. На рис. 1 приведено сравнение вольт-амперных характеристик разрядников разных групп.

Рис.1. Вольт-амперные характеристики разрядников РВП-10 кВ, РВМ-10 кВ и РВТ-10 кВ

Сравнение характеристик показывает, что чем лучше разрядник, тем ниже остающееся напряжение U_ост, но тем больше ток гашения, который должен разорвать разрядник. Снижение остающегося напряжения достигается ценой значительного усложнения и удорожания искровых промежутков.

Разработанные в 70-е годы в СССР и за рубежом резисторы на основе окиси цинка (ZnO) обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата без искрового промежутка (рис.2) - нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).

Оксидно-цинковая (металлооксидная) керамика - это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (1280-1300⁰С) смеси состоящей из окиси цинка (ZnO) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т.п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4% массы оксида цинка). Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет α=0,02-0,16 и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала.

Рис.2. Защита электрооборудования подстанции ограничителем перенапряжений

Такая высокая нелинейность обусловливает похождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера, что позволило исключить искровой промежуток и подключить резистор ОПН непосредственно к сети (рис.2). Такой ток безопасен для резистора.

Применительно к ОПН отсутствуют понятия напряжения срабатывания и напряжения гашения. Когда напряжение на ОПН увеличивается, то ток через ограничитель непрерывно возрастает без задержки согласно вольт-амперной характеристике (рис.5). Пробоя не происходит, резисторы постепенно переходят в проводящее состояние. Когда перенапряжение затухает, ток снова уменьшается в соответствии с характеристикой и гашения сопровождающего тока не наблюдается.

Ограничители перенапряжений ОПНИ обеспечивают ограничение как фазных, так и межфазных перенапряжений (рис.3).В нормальном режиме каждый резистор НР1-НР2 включен на фазное напряжение. При коммутационных перенапряжениях, которые несимметричны, пробиваются искровые промежутки. Вследствие этого резисторы НР2 соединяются параллельно, а резисторы НР1 включают попарно на междуфазные напряжения. С восстановлением нормального режима, ток в искровых промежутках снижается до миллиампер и дуга в них гаснет.

Рис.3. Схема включения ограничителя ОПНИ

Ограничители перенапряжения имеют ряд преимуществ по сравнению с разрядниками:

- меньшие габариты;

- ограничивают грозовые и коммутационные перенапряжения (большинство разрядников только грозовые);

- ниже уровень ограничения перенапряжений (грозовых до 2,0-2,4 U_ф, коммутационных до 1,65-1,8 U_ф);

- ограничители ОПНИ могут ограничивать межфазные напряжения;

- большие пропускные токи.

Условное обозначение ограничителей перенапряжения состоит из нескольких букв и цифр. Первые три буквы (ОПН) означают ограничитель перенапряжения нелинейный. Четвертая буква обозначает наиболее существенные признаки ограничителя: И- с искровым промежутком, О- облегченный, В- для защиты вентилей, Н- для защиты разземляемой нейтрали, С- для защиты электрооборудования станций. Далее после черточки указывается номинальное напряжение. В обозначении могут также указываться исполнение ОПН (римская цифра), климатическое исполнение и категория размещения.

Первоначально (в 80-е годы) ОПН начали применяться на напряжения 110 кВ и выше. В последние годы, на рынке России появились ОПН на более низкие напряжения отечественного и зарубежного производства. Поэтому в 1999 году вышло новое издание “Руководства по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений”, в котором сказано, что основным средством снижения перенапряжения на изоляции электрооборудования подстанции являются ОПН и рекомендуется заменить разрядники на ОПН.

Основные характеристики ограничителей перенапряжений.

1. Класс напряжения - номинальное напряжение сети, в которой устанавливается разрядник.

2. Номинальный разрядный ток – это амплитудное значение импульса тока длительностью 8/20 мкс, используемый для классификации ограничителя.

3. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (U_ндр) – это самый важный параметр для ограничителей перенапряжений. В ОПН нет искрового промежутка, потому через резистор ОПН токи текут постоянно. Чтобы не произошло теплового разрушения ОПН нужно правильно выбрать U_ндр.

Для сети с эффективно заземленной нейтралью (k<1,4) U_ндр определяется по формуле

U_ндр>1,05 ,

где множитель 1,05 является 5% запасом;

U_м- максимальное напряжение сети U_м= U_н.

Например, для ОПН –110 кВ получим U_ндр ³73 кВ.

Сети 6-35 кВ работают с изолированной или заземленной через реактор нейтралью. Однофазное замыкание в таких сетях немедленно не выключается и напряжение на здоровых фазах возрастает до линейного. Поэтому в сетях с изолированной или заземленной через реактор нейтралью U_ндр определяется по формуле

U_ндр>U_м.

Например, для ОПН-10 кВ получим U_ндр ³ 12 кВ.

4. Вольт-временная характеристика.

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение безопасно для ОПН. Однако коммутационные и резонансные перенапряжения превышают эту величину. Устойчивость ОПН к кратковременным перенапряжениям можно определить по вольт-временной характеристике ограничителя. На рис.4 приведена вольт-временная характеристика ОПН-110 кВ.

Рис.4. Вольт-временная характеристика ОПН-110 кВ

Если кратности перенапряжений превышают расчетные, то они должны быть скоординированы с действием релейных защит.

5. Остающееся напряжение.

Другими важными параметрами ОПН являются остающиеся напряжения , которые должны быть согласованы с вольт-секундной характеристикой защищаемого электрооборудования. Остающееся напряжение – это напряжение на ОПН при прохождении через него разрядного тока. Оно, как и у вентильного разрядника, определяется по вольт-амперной характеристике нелинейного резистора и зависит от величины, а также от формы волны разрядного тока. На рис.5 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики РВТ-10 кВ и ОПН-10 кВ.

Рис.5. Вольт-амперные характеристики РВТ-10 кВ и ОПН-10 кВ

6. Защитная характеристика ограничителя

Уровень защиты вентильного разрядника определяется вольт-секундной характеристикой, которая строится в соответствии с характеристикой пробоя искрового промежутка и вольт-амперной характеристикой нелинейного резистора. У ОПН нет искрового промежутка, поэтому уровень защиты ОПН определяется только вольт-амперной характеристикой нелинейного резистора.

Защитная характеристика ограничителя – это комбинация остающихся напряжений на резисторе ОПН для импульсов разной формы. Защитную характеристику достаточно описать тремя видами импульсов тока: грозовой импульс с крутым фронтом (1/20 или 1/40 мкс), грозовой импульс (8/20 мкс) и коммутационный импульс (например, 30/60 мкс). Защитная характеристика ограничителя должна лежать ниже характеристики уровня изоляции электрооборудования во всем диапазоне волн.

7. Коэффициент нелинейности резистора.

Коэффициент нелинейности резистора определяется по формуле:

a = log(U₁/U₂)/log(I₁/I₂);

где U₁, U₂ – напряжения соседних точек на графике (рис.5);

₁, I₂ – токи в этих же точках.

Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет

a=0,02-0,16 (для коммутационных импульсов a=0,03-0,05, для грозовых - a=0,07-0,16).

Нелинейность резистора ОПН значительно выше нелинейности резистора разрядника. Это наглядно показано на рис.6, где приведены ом-амперные характеристики ОПН-10 кВ и РВТ-10 кВ. Чем шире диапазон изменения сопротивления, тем выше нелинейность резистора.

Рис.6. Ом-амперные характеристики ОПН-10 кВ и РВТ-10 кВ

8. Пропускная способность ОПН.

К сожалению, резистор ОПН не долговечен. При каждом токовом воздействии в нелинейном резисторе выделяется большое количество энергии. Суммарную энергию, воздействие которой нелинейный резистор способен выдержать без разрушения, называют пропускной способностью ОПН. Нормированное число воздействий предельным допустимым током обычно равно двадцати.

Допустимый ток сильно зависит от формы импульса и его длительности. Причем чем больше длительность импульса, тем меньше допустимый ток. В справочниках обычно указывают два значения: для грозового импульса и для тока промышленной частоты.

Например, ОПН-10 кВ может выдержать 20 импульсов 1200/2500 мкс по 280 А или 20 грозовых импульсов 8/20 мкс по 5 кА (или 2 импульса 8/20 по 15 кА).

Эмпирическая зависимость между амплитудой (I) импульса и его длительностью (t_в) описывается уравнением

где m- постоянная (для ОПН m=0,6-0,65).

Рис.7. Эмпирическая зависимость пропускной способности ОПН-10 кВ

(для 20 импульсов)

При многократном воздействии больших токов различной длительности на резисторы происходит их старение. Оно проявляется в увеличении остающегося напряжения во всем диапазоне токов (т.е. смещении вольт-амперной характеристики вверх) и увеличении тока проводимости.

Конструкция ОПН

Диски ОПН помещаются в герметический корпус, защищающий их от влажности. Ограничители перенапряжений, которые выпускались в СССР (и России) в 80-90-е годы, все были в фарфоровых корпусах и имели одинаковые резисторы диаметром 28 мм и высотой 10 мм. Для удобства сборки ОПН были разделены на несколько одинаковых блоков, которые устанавливались один на другой. Каждый блок состоял из нескольких параллельных колонок резисторов. Например, в ОПН-110 колонок было 4, а в ОПН –750 - 30. Причем колонки в блок подбирались так, чтобы они имели одинаковые токи при фазном напряжении и одинаковые остающиеся напряжения при грозовом импульсе.

Для улучшения теплоотдачи, пространство между резисторами и фарфоровой покрышкой заполняется сухим кварцевым песком.

Для выравнивания напряжения вдоль блоков ОПН, начиная со 110 кВ, применяются кольцевые трубчатые экраны.

В настоящее время корпуса ограничителей перенапряжений выполняются, в зависимости от местоположения и области применения, из электротехнического фарфора, полиуретана или из кремнеорганической резины (рис.8 и рис.9).

Рис.8. Конструкция ОПНС-10 кВ в фарфоровом корпусе

Рис.9. Конструкция ОПН-6 кВ в корпусе из кремнеорганической резины

Полимерные корпуса обеспечивают взрывобезопасность ограничителей перенапряжений, поскольку даже при разрыве их полимерной покрышки не образуют разлетающихся кусков, как при взрыве ограничителя в фарфоровом корпусе. Кремнеорганическая резина стойка к загрязнениям.

ОПН в фарфоровых корпусах сейчас снабжают мембраной. В случае повреждения дисков и чрезмерном увеличении давления газа происходит разрыв мембраны, что предупреждает разрыв корпуса.

В настоящее время резисторы имеют разные размеры: диаметры 41, 51, 61 и 76 мм, толщину от 22 до 35мм. Это позволяет получать ограничители с разной пропускной способностью.

После выполнения работы необходимы составить отчет, который должен содержать:

a) название работы и ее цель;

б) сведения о исследуемых ограничителях ОПН-110 кВ и ОПН-10кВ;

в) характеристики:

- ОПН-110 кВ;

- ОПН –10 кВ;

г) вывод.

Практическая работа №4