Неэлектрические воздействия на опн

2.1. Температура и вопросы термических расчетов для ОПН.

При расчете конструкции ОПН, наряду с другими воздействиями, большое значение имеют тепловые расчеты. Эту проблему рассмотрим на примере особенностей теплового режима ОПН 6 ÷ 35 кВ при воздействии на них длительных дуговых перенапряжений, возникающих при перемежающейся дуге [4].

Хорошо известно, что при выборе параметров за­щитного аппарата для ограничения перенапряже­ний в сетях 6 ÷ 35 кВ принято исходить из того, что допу­стимыми являются несимметричные режимы сети, вы­зываемые однофазными замыканиями на землю. При этом для ОПН в качестве наибольшего рабочего прини­мается напряжение, близкое к линейному напряжению сети. Защитный аппарат при этом выбирается таким образом, что суммарный ток, протекающий по его ре­зистору при приложении линейного напряжения сети, не превосходит нескольких миллиампер. При этом в те­ле резистора в непрерывном режиме выделяется не­значительная мощность, приводящая к тому, что тем­пература ОПН на 1 ÷ 3 °С превосходит температуру окру­жающей среды [5].

Совершенно иными становятся ус­ловия работы ограничителя перенапряжений при возникновении перемежающейся заземляющей дуги, ко­гда однофазные замыкания на землю происходят с ча­стотой, соответствующей 2 ÷ 10 полупериодам тока про­мышленной частоты вследствие периодического зажи­гания и погасания дуги, например, в месте частичного повреждения изоляции кабельной линии. Переходные процессы, сопровождающие данное явление, приво­дят к тому, что на изоляцию, а равно и на защитный ап­парат воздействуют импульсные перенапряжения, кратность которых при неблагоприятных условиях дос­тигает 3 [6].

Уровень ограничения перенапряжений с помощью ОПН в указанных сетях принимается в насто­ящее время , где - наибольшее фазное напряжение [7]. Поэтому единичный импульс дугового напряжения не представляет собой серьезного энер­гетического воздействия на защитный аппарат. В част­ности, по данным работы [8], энергия единичного им­пульса дугового перенапряжения, ограничиваемого с помощью ОПН, в сетях с номинальным напряжением 6 ÷ 10 кВ не превосходит 70 Дж. Однако если принять во внимание, что импульсы дуговых перенапряжений следуют с частотой 10 ÷ 50 Гц в течение десятков минут или даже нескольких часов, тепловой режим ОПН мо­жет быть столь тяжелым, что приведет к повреждению защитного аппарата.

Физически процесс нагрева ОПН можно представить процессом, состоящим из трех стадий: началь­ной, длящейся несколько секунд, когда нелинейный ре­зистор ОПН нагревается в адиабатическом режиме, и существенного оттока тепла в окружающую среду не происходит; переходной, при которой становятся за­метными процессы теплопередачи в изоляционной стенке корпуса ОПН и конвективный теплоотвод с по­верхности изоляционной покрышки; последней, соот­ветствующей состоянию установившегося теплового режима.

Установившаяся температура аппарата опре­деляется соотношением выделяемой в нелинейном ре­зисторе мощности и эффективностью теплоотвода от резистора в окружающую среду. Поэтому существен­ными факторами, определяющими работоспособность ОПН в условиях перемежающейся заземляющей дуги, будут как конструктивные и теплофизические характе­ристики защитного аппарата, так и энергия, и частота следования импульсов дуговых перенапряжений.

От­метим, что стандартный тест, определяющий способ­ность ограничителя к рассеиванию энергии, состоя­щий из 20 импульсов прямоугольной волны тока амп­литудой 300 ÷ 500 А [6], не соответствует физическим ус­ловиям нагрева ОПН при действии дуговых перенапря­жений. Согласно нормам испытаний максимальная се­рия состоит из трех импульсов тока, следующих с интер­валом 60 с, после чего происходит охлаждение аппарата до температуры окружающей среды. Поэтому анализ те­плового режима в условиях дуговых перенапряжений представляет собой важную проблему, поскольку дли­тельное воздействие импульсов перенапряжений может привести к нагреву конструкции ОПН до недопустимо высоких температур и выхода аппарата из строя. В ча­стности, по данным экспериментальных исследований, описанных в работе [9], в сетях собственных нужд Сырдарьинской ГРЭС ограничитель перенапряжений ком­мутировал до 850 импульсов для сети с током замыка­ния 2,2 А.

Для анализа тепловых процессов, происходящих в ОПН в условиях реальной электрической сети, необхо­дима математическая модель, хорошо совместимая с моделями, применяемыми для анализа переходных процессов в электрических цепях, которые в настоя­щее время основаны на численном решении систем обыкновенных дифференциальных уравнений. При этом расчетная тепловая модель должна давать адек­ватную картину, как переходного процесса теплопере­дачи, так и установившегося режима, что позволяет оценить как характерные времена нагрева до критиче­ских температур, так и установившуюся температуру ОПН в случае длительного воздействия дуговых пере­напряжений.

Достаточно широко применяемые в на­стоящее время конечно-элементные методы тепловых расчетов [10], обладая высокой точностью, являются громоздкими и в большей степени пригодны для авто­номных расчетов. При совместном решении уравне­ний электрической цепи и тепловых уравнений пос­ледние удобно записать в виде системы обыкновен-

Рис. 2.1. Распределение температуры в конструкции полимерного ОПН (результат расчета по методу конечных элементов)

ных дифференциальных уравнений. Для получения такой формы уравнений теплопередачи рассмотрим особенности распределения температуры в конструкции ОПН. Поскольку выделяемая энергия равномерно распределяется по объему нелинейного резистора, а его материал обладает теплопроводностью, на два порядка превосходящей теплопроводность окружающих его изоляционных слоев, то распределение температуры в пределах варисторного блока близко к равномерному (рис. 5.1). Ограничитель перенапряжений представляет собой цилиндрическую конструкцию, площадь боковой поверхности которой значительно превосходит площадь торцевых частей. Поэтому в первом приближении можно считать, что охлаждение аппарата происходит вследствие конвективного теплоотвода с боковой поверхности. Кроме того, как видно из рис. 2.1, температура уже на минимальном удалении от фланцев ОПН равномерно распределена по высоте аппарата за исключением небольших возмущений, вносимых ребрами изоляционной покрышки.

Поэтому для приближенного описания процессов нагрева и теплопередачи в конструкции ограничителя перенапряжений можно использовать одномерное уравнение осесимметричной теплопроводности, справедливое в пределах высоты варисторной колон­ки аппарата

, (2.1)

где t — время; r — радиальная координата, отсчиты­ваемая от оси конструкции; , с и — зависящие от координаты - плотность, удельная теплоемкость и теп­лопроводность материала; Т - температура, - мощность объемного тепловыделения.

Для дальней­шего упрощения уравнения теплопередачи восполь­зуемся тем обстоятельством, что в пределах вари­сторной колонки радиальное распределение темпе­ратуры однородно (см. рис. 2.1). Поэтому график распределения температуры по радиусу можно предста­вить состоящим из двух участков: первый — в преде­лах радиуса варистора R₁, где температура характе­ризуется постоянным по радиусу значением Т₁, и вто­рой, описывающий распределение температуры в изоляционной стенке r = R₂, температура на внешней поверхности которой обозначена как Т₂ (рис. 2.2). Распределение теплофизических характеристик (плот­ность, теплоемкость и теплопроводность, мощность объемного тепловыделения) для данной конструкции является кусочно-постоянным: при r £ R₁, , с = с_В, l = l_В, , где , с_В и l_В - плот­ность, удельная теплоемкость и теплопроводность варисторной керамики, и — ток и падение напряжения на варисторах, V — объем варисторной колонки; при R₁ < r £ R₂, , с = с₁, l = l₁, , где , с₁ и l₁ - плот­ность, удельная теплоемкость и теплопроводность изоляционного материала ОПН.

Рис. 2.2. Результаты моделирования распределения температуры по радиусу в конструкции ОПН.

Таким образом, распределение температуры в ог­раничителе перенапряжений в рамках данной модели характеризуется двумя температурами — температу­рой варисторов (Т₁) и температурой внешней поверх­ности изоляции (Т₂), которые являются функциями времени t, а также параметрически связаны с перечисленными выше теплофизическими характеристи­ками. Получим дифференциальные уравнения отно­сительно Т₁ и Т₂. Для этого умножим уравнение (2.1) на ( - высота варисторной колонки) и проинтег­рируем в пределах от 0 до R₁.

Принимая во внимание, что тепловой поток - на оси вращения равен нулю, получим

(2.2)

где m – масса варисторной колонки. Для того, чтобы определить производную по r в последнем уравнении, аппроксимируем распределение температуры в изоляционном слое R₁ £ r £ R₂ квадратичной функцией. При этом будем использовать форму квадратичной интерполяции, принятую в методе конечных элементов [56]:

, (2.3)

где , ,

x = r - R₁, h = R₂ - R₁.

Вычисляя, производную от Т по r от (5.3) в точке r = R₁ и подставляя в (5.2), получим:

,

где , (см. рис. 5.2).

Дифференциальное уравнение относительно получим, непосредственно подставляя (5.3) в исходное уравнение (5.1), в котором положим :

.

Для того, чтобы исключить из последней пары уравнений Т₂ , воспользуемся конвективным граничным условием на внешней поверхности изоляционной покрышки , где = 15 ¸ 20 Вт/(м² ×К) – коэффициент теплоотдачи, Т_a - температура окружающей среды. Используя (2.3) из последнего равенства, найдем

, где .

Подставляя последнее выражение в уравнения для Т₁ и , получим окончательно систему из двух обыкно­венных дифференциальных уравнений в форме Коши:

, (2.4)

где , , ,

Система (5.4) интегрируется с начальными условиями: .

Рис. 2.3. Схема замещения сети 6 кВ при расчете дуговых перенапряжений.	Рис. 2.4. Расчетные осциллограммы фазного напряжения (а), тока (б) и температуры резистора ОПН (в).

В качестве примера рассмотрены результаты расчетов, полученные при совместном решении урав­нений электромагнитных переходных процессов в представленной на рис. 2.3 схеме и динамической теп­ловой модели ограничителя перенапряжений (2.4). На рис. 2.4 приведены результаты расчетов эскалации температуры ограничителя перенапряжений класса 6 кВ при возникновении перемежающейся дуги в сети рис.2.3 с суммарной емкостью линий С = 10 мкФ в усло­виях периодически возникающего однофазного дуго­вого замыкания с сопротивлением 3 Ом. В данном процессе на одной из фаз имеют место перенапряжения с кратностью К = 2 ÷ 3, действующие с периодичностью 0,03 с. При этом в ограничителе перенапряжений возникают импульсы тока с амплитудой 0,25 А по форме, близкой к треугольной с шириной в основании около 2 мс. При этих условиях в резисторе ограничителя перенапря­жений имеет место эскалация температуры со ско­ростью около 0,7 град/с. Условия развития дуговых перенапряжений могут быть различны. Поскольку здесь изучаются режимы, приводящие к существенному по сравнению с температурой окружающей среды нагреву, то незначительным отклонением начальной температуры аппарата от Т_a, связанным с приложением рабочего напряжения се­ти, можно пренебречь.

Они определя­ются параметрами сети, характеристиками дуги замыкания, наличием или отсутствием дугогасящего реактора и особенностями его настройки. Поэтому довольно трудно получить обобщенные данные о теп­ловых режимах ОПН, опираясь лишь на результаты численного моделирования переходных процессов в электрических цепях.

Рис. 2.5. Зависимости от времени темпера туры варисторов (а) и температуры поверхности изоляционной покрышки (б).

Более удобным представляется подход, основанный на оценках усредненной мощно­сти тепловыделения в ОПН при действии последова­тельности импульсов перенапряжения. При таком подходе кривые эскалации температуры утрачивают ступенчатый характер, наблюдаемый на рис.5.4. Одна­ко, в силу того, что величина температурных скачков при коммутации импульса перенапряжений мала по сравнению с температурой аппарата, то переход к усредненным по времени характеристикам нагрева и, соответственно, к плавным зависимостям температу­ры от времени не вносит существенных ошибок в рас­чет теплового режима ОПН. Для более общей оценки мощности, выделяемой в варисторной колонке ограничителя при действии им­пульсов перенапряжения с частотой n, введем в рассмо­трение эффективную ширину импульса t_p.

В частности, для импульсов тока через ОПН, близких по форме к треугольным, величина t_p равна половине ширины основания импульса. Энергию, рассеиваемую в варисторной колонке за один импульс перенапряжения, найдем как

,

где U_m, i_m — максимальные значения напряжения и тока в ОПН при воздействии импульса перенапряжения. Мощность, выделяющаяся в ОПН и усредненная по отрезку времени, в течение которого действуют им­пульсы перенапряжения, может быть найдена, если задана частота следования импульсов, как

.

Далее, используя стандартную формулу для вольтамперной характеристики ограничителя перенапря­жений , где a»0,1, нетрудно привести выражение для средней мощности к виду

,

где К — кратность перенапряжения, Q₀ — мощность, выделяющаяся в варисторах ОПН в нормальном ре­жиме при действии наибольшего рабочего напряже­ния. Последнее выражение дает полную мощность те­пловыделения в варисторной колонке при действии последовательности импульсов перенапряжения.

По­скольку основным механизмом теплообмена в ОПН, как было отмечено выше, является радиальная тепло­проводность, то более общей характеристикой, не за­висящей от класса напряжения аппарата, является мощность тепловыделения, приходящаяся на едини­цу высоты варисторной колонки ОПН

, (2.5)

где Q₀₁ и h₀₁ - мощность, выделяемая в одном варисторе при наибольшем рабочем напряжении, и высо­та варистора.

В частности, для варисторов фирмы «EPCOSE» [11] указанные параметры являются паспортны­ми, например, для варистора E48KV612E диаметром 48 мм Q₀₁ = 0,35 Вт и h₀₁ = 34,5 мм. Для колонки, соста­вленной из варисторов данного типа, находим

, Вт/м .

Заменяя в уравнениях тепловой модели ОПН мгновенную тепловую мощность на усреднен­ную Q, можно исследовать температурные режимы аппарата вне зависимости от переходного процесса в электрической цепи, исходя из средней кратности пе­ренапряжения на протяженных отрезках времени, ис­числяющихся десятками секунд и более.

В качестве типичного примера может быть рассмо­трен ограничитель на варисторах с приведенными вы­ше параметрами и толщиной изоляционного покрова h = 7 мм и следующими значениями теплофизических характеристик: = 5700 кг/м3, = 500 Дж/(кг×К), = 400 Вт/(м×К), = 1700 кг/м³, = 1500 Дж/(кг×К), = 0,8 Вт/(м×К).

На рис. 5.5 даны расчетные зависи­мости от времени температуры резистора и изоля­ционной покрышки при мощности объемного тепло­выделения Q' = 270 Вт/м.

Наибольший практический интерес при анализе теплового режима, связанного с действием дуговых перенапряжений, представляют две характеристики - время нагрева до критической температуры, близкой к 100 °С, и установившаяся температура варисторов при длительном (несколько часов) воздействии им­пульсов перенапряжения.

Выбранное значение кри­тической температуры 100 °С соответствует началу деструкции полимерных материалов при их нагреве. Графики зависимости указанных характеристик от Q' приведены на рис. 2.6 и 2.7.

Рис. 2.6. Зависимость времени достижения температурой ОПН критического уровня 100°С от приведенной усредненной мощности тепловыделения в резисторе	Рис. 2.7. Зависимость установившейся температуры резистора от приведенной усредненной мощности тепловыделения

Как нетрудно видеть из рис. 2.7, максимальная ус­редненная мощность тепловыделения, приведенная к единице высоты аппарата Q'_c, при которой еще воз­можна неограниченная по времени работа защитно­го аппарата, составляет значение, близкое к 300 Вт/м. При увеличении тепловыделения свыше указанного значения возможна работа ОПН в тече­ние некоторого отрезка времени, длительность которого определяется кривой рис.2.6. В течение этого времени температура варисторов ОПН дости­гает 100 °С.

Поскольку более изученной характери­стикой является кратность перенапряжения, то с по­мощью соотношения (2.5) можно определить допус­тимые неограниченное время режимы, исходя из кратности перенапряжения, частоты следования и эффективной ширины импульсов, приравнивая пра­вую часть (5.5) к Q'_c:

. (2.6)

В частности, для варисторов с данными выше ха­рактеристиками на рис. 5.8 построена зависимость до­пустимой интенсивности дуговых перенапряжений от их кратности К.Кривая разделяет на плоскости значений параметров и К две зоны – зона №1 соответствует безопасному тепловому режиму ОПН. При сочетании параметров дугового перенапряжения, приходящегося на зону №2 рис. 2.8, ограни­читель перенапряжений может работать лишь в тече­ние ограниченного отрезка времени. Характерно, что зависимость рис. 2.8 связывает характеристики, которые могут быть получены при натурных экспериментах. Поэтому результаты осциллографических иссле­дований реальных электрических сетей могут быть использованы для прогнозирования теплового поведения ОПН в сетях различных классов напряжения. В отношении кратности перенапряжения, фигурирую­щей в (2.5) и на графике рис. 2.8, следует отметить, что она близка к кратности неограниченных перенапря­жений, поскольку стандартная настройка ОПН для сетей 6 ÷ 35 кВ не позволяет заметно ограничивать дуговые перенапряжения [7].

Рис. 2.8. Зависимость допустимой интенсивности дуговых перенапряжений от их кратности.

На основании представленных выше результа­тов расчетных исследований можно заключить, что дуговые перенапряжения при неблагоприятном со­четании параметров, таких как кратность перена­пряжений, частота и длительность дугового замы­кания, могут привести к тепловому разрушению ог­раничителя перенапряжений. Однако при низких кратностях перенапряжения К < 2 вероятность выхода из строя ограничителя невелика, поскольку, как видно из кривой рис. 2.8, критическая интенсив­ность дуговых перенапряжений близка к 0,1.

Это значение интенсивности при характерной длитель­ности импульса тока в ОПН 1 мс может достигаться только при частоте зажигания дуги, превышающей 50 Гц, что невозможно реализовать.

При наруше­нии условий безопасной эксплуатации, определяе­мых формулой (2.6) и кривой рис. 2.8, допустимая дли­тельность режимов перемежающейся заземляю­щей дуги в зависимости от кратности и интенсив­ности дуговых перенапряжений может исчисляться как секундами, так и часами.

Оптимальным путем обеспечения тепловой устойчивости ОПН при дуго­вых перенапряжениях может быть эффективное ог­раничение их кратности за счет резистивного или резонансного заземления нейтрали сетей 6 ÷ 35 кВ [12].

Приведенные численные результаты получены для конкретного типа ограничителя перенапряже­ний, выполненного в полимерной изоляции на варисторах диаметром 48 мм фирмы Epcos.

Вместе с тем разработанная динамическая тепловая мо­дель позволяет получить необходимые для исполь­зования в формулах (2.5), (2.6) характеристики t_]00 и Q'_c для ограничителей других конструкций, например, в фарфоровом корпусе.

Наконец, детальный чис­ленный анализ процессов нагрева ограничителя перенапряжений может быть выполнен при непо­средственном включении уравнений тепловой мо­дели в систему, описывающую переходный про­цесс в схеме замещения электрической сети.

2.2. Сейсмостойкость и вибростойкость.

При установке ограничителей перенапряжений в зонах с повышенной сейсмической опасностью (выше 7 баллов по MSK-64) конструкция аппарата должна включать мероприятия по сейсмической устойчивости.

Ограничители перенапряжений, работающие в условиях повышенной вибрации, должны выдерживать механические нагрузки вибрации по группе условий эксплуатации М1 по ГОСТ 17516 степень жесткости 1 ГОСТ 16962.

2.3. Диагностика по степени загрязнения внешней изоляции.

При работе ограничителей перенапряжений в условиях повышенного загрязнения их внешняя изоляция должна быть выбрана с учетом этого обстоятельства. Условия загрязнения учитываются путем выбора удельной длины пути утечки.

Удельная длина пути утечки для ограничителей выбирается не менее, чем на 20 % выше для остального оборудования подстанции.

У большинства производителей существует несколько модификаций ОПН, предназначенных для применения в разных зонах загрязнения.

Более подробно остановимся на длине пути утечки внешней изоляции.

Во избежание недоразумений здесь отметим, что:

- длина пути утечки изоляции (L) – наименьшее расстояние по поверхности изоляционной детали между металлическими частями разного потенциала;

- эффективная длина пути утечки – часть длины пути утечки, определяющая электрическую прочность изоляционной конструкции в условиях загрязнения и увлажнения;

- удельная эффективная длина пути утечки ( ) – отношение эффективной длины пути утечки к наибольшему рабочему межфазному напряжению сети, в которой работает электроустановка;

- коэффициент использования длины пути утечки (k) – поправочный коэффициент, учитывающий эффективность использования длины пути утечки изоляционной конструкции;

- степень загрязнения (СЗ) – показатель, учитывающий влияние загрязненности атмосферы на снижение электрической прочности изоляции электроустановок.

Выбор полимерных изоляторов или конструкций в зависимости от СЗ номинального напряжения электроустановки и других сопутствующих факторов должен производиться по разрядным характеристикам в загрязненном и увлажненном состоянии.

Удельная эффективная длина пути утечки

внешней изоляции электрооборудования.

Таблица 5.1

Степень загрязнения	, см/кВ (не менее), при номинальном напряжении, кВ
До 35 кВ включительно	110 ÷ 500 кВ
	1,90	1,60
	2,35	2,00
	3,00	2,50
	3,5	3,10

Определение СЗ должно производиться в зависимости от характеристик источников загрязнения и расстояния от них до электроустановки.

Длина пути утечки (см) изоляционных конструкций из стекла и фарфора должна определяться по формуле:

,

где - удельная эффективная длина пути утечки по таблице 5.1, см/кВ; - наибольшее рабочее междуфазное напряжение, кВ; - коэффициент использования длины пути утечки.

В случае необходимости для сетей 110 ÷ 500 кВ может быть принята больше 3,1.

2.4. Климатические условия.

Ограничители опорного исполнения для наружной установки должны выдерживать следующие механические нагрузки:

- от ветра со скоростью 40 м/с;

- от ветра со скоростью 15 м/с при гололеде с толщиной стенки льда до 20 мм;

- от тяжения проводов в горизонтальном направлении не менее 300 Н в сетях до 42 кВ, не менее 500 Н – в сетях 73 ÷ 136 кВ, не менее 1000 Н в сетях 210 ÷ 333 кВ, не менее 1500 Н в сетях 455 ÷ 477 кВ [13].

Таким образом, рассматриваемые ограничители 110 кВ должны быть рассчитаны на механическую нагрузку от тяжения проводов в горизонтальном направлении не менее 500 Н, а ограничители 220 и 330 кВ не менее 1000 Н.

При выборе ОПН важное значение имеет его климатическое исполнение в соответствие с ГОСТ 15150-89. Эта информация сведена в таблицу 2.2.

Большинство отечественных ОПН и ряд аппаратов иностранных фирм рассчитано на температуру окружающего воздуха от - 45 до + 45 ⁰С и от - 60 до + 45 ⁰С. Если вблизи аппарата имеются другие источники высоких температур, то необходимо пересмотреть величину максимального допустимого напряжения частотой 50 Гц, увеличив его на 2% на каждые 5 градусов повышения температуры.

Климатическое исполнение изделий.

Таблица 2.2

Обозначения	Исполнение изделий для макроклиматических районов
Русские	Латинские	Для эксплуатации на суше, реках, озерах	Для эксплуатации в районах с морским климатом
У	N	С умеренным климатом	-
УХЛ	NF	С умеренным холодным климатом	-
ТВ	TH	С влажным тропическим климатом	-
Т	T	С тропическим, как с сухим, так и влажным климатом	-
О	V	Общеклиматическое исполнение на суше, кроме районов с очень холодным климатом	-
М	M	-	С умеренно-холодным морским климатом
ТМ	MT	-	С тропическим морским климатом, для плавания только в этом районе
ОМ	MV	-	Для судов неограниченного района плавания
В	W	-	Общеклиматическое исполнение на суше, кроме районов с очень холодным климатом, как на суше, так и на море

Высота выше уровня моря сказывается, главным образом, на внешней изоляции ограничителей перенапряжений. Так, например, если ОПН рассчитан на работу на открытом воздухе на высоте не более Н = 1000 м, то его эксплуатация на высоте Н > 1000 м при пониженной плотности воздуха может привести к перекрытию внешней изоляции. Поэтому при этих условиях внешняя изоляция аппарата должна быть усилена.

2.5. Категория размещения. Механическая прочность.

Условия работы ограничителей перенапряжений также зависят от категории их размещения. Эта информация сведена в таблицу 2.3.

При неправильных механических расчетах ОПН может произойти его (или его элементов, например, экранов) поломка, приводящая к коротким замыканиям.

Для проверки механической прочности опорной конструкции испытательная сила P должна быть не менее рассчитанной по формуле

Р=1,1·(Р_V + Р_D),

где Р_V – сила, отображающая момент изгиба от напора ветра со скоростью V = 40 м/с и вычисляемая по формуле:

Р_V = 0.7×0,5× (V²/1,6)×H×d+1,4× (V²/1,6)× (ℓ·d_{1 ·}n + d_{2 ··}·d₃) » V²·[0,22·H·d + 0,875·(ℓ ·d₁ ·n + d₂ ·d₃)].

Категория изделий по месту размещения.

Таблица 2.3

Обозначения	Место размещения
	На отрытом воздухе
1.1	Хранение в процессе эксплуатации в помещениях категории 4 и работы, как в условиях категории 4, так и в других условиях, в том числе на открытом воздухе
	Под навесом или в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например, в палатках, кузовах, прицепах, металлических помещениях 6ез теплоизоляции в оболочке комплексного изделия категории 1 (отсутствие прямого солнечного излучения и атмосферных осадков)
2.1	В качестве встроенных элементов внутри комплексных изделий категории 1, 1,1, 2, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры).
	В закрытых помещениях (объемах) с естественной циркуляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температура влажности воздуха и воздействия песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, например, в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (существенное уменьшение воздействия солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков, отсутствие росы)
3.1	В нерегулярно отапливаемых помещениях (объемах)
	В помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях, в том числе хорошо вентилируемых подземных (отсутствие воздействия прямого солнечного излучении, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли, наружного воздуха, отсутствия или уменьшение воздействия прямого солнечного излучения и конденсации влаги)
4.1	В помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом
4.2	В лабораторных, капитальных жилых и других подобного типа помещениях
	В помещениях (объемах) с повышенной влажностью, например, в не отапливаемых и не вентилируемых подземных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в почве, в судовых, корабельных и других помещениях, в которых возможны длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке.
5.1	В качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категории 5, конструкция которых включает возможность конденсации влаги на встроенных элементах (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры)

В этом выражении H - высота ОПН, м; d - наружный диаметр изоляционной покрышки, определяемый как средний диаметр тарелки, м; l - длина тяги экранирующего кольца, м; d₁ – диаметр тяги, м; d₂ – диаметр экранирующего кольца, м; d₃ - диаметр трубы экранирующего кольца, м; п - число тяг; Р_D - дополнительная сила, отображающая тяжение проводов, в результате воздействия нагрузок, определяемых требованиями к механической прочности ОПН. При расчете испытательной силы, отображающей скорость ветра V = 15 м/с и гололед с толщиной стенки 2 см, в формуле все диаметры (d, d₁, d₂ и d₃ ) должны быть увеличены на 4 см.

Здесь отметим, что при испытаниях многоэлементных ограничителей допускается выполнять испытания на одном элементе, который подвержен наибольшим механическим напряжениям, увеличивая испытательную силовую нагрузку по отношению к высоте ограничителя Н и элемента h:

.

Испытательная сила прикладывается к верхней части металлической арматуры перпендикулярно оси испытуемого объекта в течение 60 с. Время возрастания натяжения от 0,5 до 1,0 испытательной силы не должно быть менее 20 с.

После испытания на испытуемом ОПН не должно быть никаких видимых наружных повреждений.

Для подвесной конструкции климатического исполнения ХЛ данные испытания должны проводиться на растяжение с приложением ис­пытательной силы, рассчитанной с учетом веса ограничителя, подводящих проводов, льда на них и ветра, к фланцу, за который осуществляется под­веска ОПН, в направлении вертикально вниз.

Проверка ОПН при вибрации должна проводиться в соответст­вии с ГОСТ 16962.2 (метод 103-2.3). Испытания допускается проводить на составных элементах ОПН.

Ограничитель считается выдержавшим испытания, если:

- отсутствуют видимые механические повреждения;

- классификационное напряжение, измеренное до и после испытаний,
различается не более чем на ± 5%.

Основными требованиями к механической прочности ОПН-500 являются:

- ограничители категории 1 опорного исполнения должны выдерживать механическую нагрузку от тяжения проводов в горизонтальном направлении и ветровых и гололедно-ветровых нагрузок для следующих случаев не менее 1000 Н;

- при гололеде с толщиной стенки льда до 20 мм и ветра со скоростью 15 м/с;

- при ветре со скоростью 40 м/с и при отсутствии гололеда.

- ограничители категории размещения 1 подвесного исполнения должны выдерживать нагрузки на растяжение от собственного веса и подводящих проводов с учетом воздействия на них гололеда и ветра с параметрами, аналогичными для опорной конструкции.

- ограничители должны выдерживать вибрацию, тряску, и удары, возникающие при его транспортировании, при условии соблюдения правил транспортирования, указанных в технических условиях и в инструкции предприятия изготовителя при транспортировании.

В механических расчетах ограничителей подвесного исполнения основным является механический расчет стеклопластиковых труб.

Расчет стеклопластиковой трубы производится по методике, приведенной в [37, 38]. Предварительно, с помощью расчетов определяется масса фланца, варисторов, СКТН и пружины.

Согласно [14, 15, 16, 17], основными внешними воздействиями на аппарат являются ветер со скоростью 40 м/с при отсутствии гололеда и ветер 15 м/с при гололеде толщиной 0,02 м. Таким образом, следуют три реальных случая нагружения растяжением корпуса ОПН.

1. Растяжение под собственным весом и под действием пружины, обеспечивающей контактное нажатие варисторов при гололеде толщиной 0,02 м. Ветер отсутствует.

2. Растяжение под собственным весом и под действием пружины, обеспечивающей контактное нажатие варисторов при ветре 40 м/с и без гололеда.

3. Растяжение под собственным весом и под действием пружины, обеспечивающей контактное нажатие варисторов при ветре 15 м/с и при гололеде толщиной 0,02 м.

В случае 2 и 3 при расчетах необходимо учитывать разворот ограничителя под напором ветра.

Сила, стремящаяся повернуть аппарат, определяется скоростным напором ветра, парусностью ОПН и углом его поворота [18]:

,

где k_a – аэродинамический коэффициент; k_у – коэффициент увеличения ветрового напора при установке аппарата на высоте более 10 м над землей.

Скоростной напор ветра рассчитывается по формуле , где V _B - скорость ветра.

Аэродинамический коэффициент определяется в зависимости от числа Рейнольдса:

Наветренная поверхность аппарата (проекция сечения ОПН на плоскость, перпендикулярную вектору скорости ветра) также зависит от угла поворота и составляет .

Учитывая изложенное, получаем

.

Сила веса аппарата также раскладывается на две составляющие:

.

Сила, перпендикулярная оси ограничителя

,

противодействует повороту ограничителя. В стационарном положении силы и равны, то есть

. (2.7)

Подставляя , а также преобразуя и упрощая выражение, получаем квадратное уравнение относительно

, где .

В решении уравнения (2.7) следует принять знак “+” по причине того, что угол поворота ограничителя может быть только положительным. Тогда

.

Зная углы поворота, можно рассчитать растягивающую нагрузку на корпус ОПН:

,

где – сила контактного нажатия, создающаяся пружиной.

Все расчеты проводились с учетом изложенного в среде MathCAD и дают следующие результаты по растягивающим нагрузкам на корпус ограничителя: ○ случай 1 – 0,448 кН; ○ случай 2 – 0,363 кН; ○ случай 3 – 0,443 кН. Таким образом, наибольшей нагрузке ОПН подвергается при гололеде.

Для проверки правильности выбора толщины стенки стеклопластиковой трубы необходимо рассчитать механическое напряжение, возникающее в стеклопластике при растяжении и сравнить его с пределом прочности материала при этом виде воздействия.

Сравнение необходимо проводить с учетом коэффициента запаса прочности конструкции ОПН, который принимается равным . Тогда требование по механической прочности корпуса аппарата имеет вид:

. (2.8)

Предел прочности стеклопластика при растяжении составляет не менее 100 МПа. Соответственно вычисления по (5.7) при выбранных значениях D и d подтверждают достаточную механическую прочность конструкции ОПН: 0,519 < 20 МПа.

При этом удлинение стеклопластиковой трубы при наибольшей расчетной нагрузке составит:

,

что не представляет опасности для нормальной работы ОПН (здесь Е_с – модуль упругости стеклопластика, равный 200 МПа).

Расчет стеклопластиковой трубы производиться с помощью программы «Механический расчет», реализованной в среде MathCAD.

Следует отметить, что механическая прочность конструкции ОПН на разрыв определяется не только размерами трубы, но и ее соединением с металлическими фланцами. Фланцы предполагается изготавливать из алюминия. Соединение стеклопластиковой трубы с фланцами резьбовое.

Используется трапециидальная резьба с номинальным диаметром 0,06 м и шагом 4 мм. Длина нарезанной части трубы составляет 33 мм. При таких размерах резьбовых соединений и навинчивании фланцев на трубу при одновременном склеивании деталей эпоксидной смолой механическая прочность корпуса ОПН в целом будет не ниже прочности стеклопластиковой трубы.

В результате произведенного расчета было выявлено:

- напряжения, возникающие в стеклопластиковой трубе, соответствует норме (0,519 < 20 МПа);

- удлинение стеклопластиковой трубы не представляет опасности для нормальной работы ОПН;

- осевое перемещение пружины , что удовлетворяет нормальной работе ОПН.

2.6. Вопросы координации изоляции.

При выборе ограничителей перенапряжений их характеристики должны быть согласованы с характеристиками изоляции электрооборудования. По данным [19, 20] характеристики изоляции «узакониваются» испытательными напряжениями при грозовых импульсах, напряжением 50 Гц и коммутационных импульсах. Последние в ГОСТ 1516.3-96 приводятся только для электрооборудования 330 кВ и выше.

На рис. 2.9 приведена основная информация, позволяющая проверить обеспеченность защиты электрооборудования 6 ÷ 750 кВ от перенапряжений.

Для нестандартного оборудования координация изоляции должна быть выполнена, исходя из уровня изоляции. Такое же положение имеет место для сетей 0,4 кВ.

Для нестандартных асинхронных электродвигателей для откачки нефти и пластовой жидкости из скважин и закачки воды в пласт допустимая кратность перенапряжений определяется с помощью следующего выражения:

.

Рис.2.9. Зависимость выдерживаемых изоляцией электродвигателей 6 ÷ 10 кВ импульсных воздействий от длины фронта импульса t ф: 1 – для двигателей мощностью до 1 МВт; 2 – для двигателей мощностью более 1 МВт.

Поскольку U_ном = 500, 1000, 1500, 2000, 2500 и 3000 В, а U_мр = 1,2·U_ном, то К_доп = 2,8 ÷ 4,6.

Изоляция электрооборудования 0,22 и 0,38 кВ до настоящего времени подробно не исследована и определяется не только рабочим напряжением и перенапряжениями, но и механической прочностью электропроводки и монтажом электрооборудования.

По данным зарубежных и отечественных источников для нее считается допустимым импульс с амплитудой до 2 кВ, если к сети не подключено электронное оборудование, и до 1 кВ, если последнее подключено к сети.

В составе сетей отраслей различного назначения, кроме линий, находятся трансформаторы тока и напряжения, выключатели, конденсаторы, силовые трансформаторы, электродвигатели, синхронные компенсаторы и др.

Они необходимы для различных технологических агрегатов, поэтому в большинстве случаев уровень изоляции линий определяется изоляцией перечисленных видов электрооборудования.

Вообще говоря, расстояния между ОПН и электроустановками, для которых должна быть обеспечена защита изоляции от перенапряжений, определяются с помощью программных комплексов для ПЭВМ или физических моделей, в частности, с помощью анализаторов грозозащиты подстанций (АГП).

Методы и способы реализации этих задач подробно изложены в работах [21, 22], а также отражены в Руководящих указаниях по защите электрических сетей 6 ÷ 1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений и ПУЭ [23, 24]