8. Приведите преимущества сдвоенных токоограничивающих реакторов. Докажите расчетами.
Наряду с реакторами обычной конструкции применяются сдвоенные реакторы - две индукционные катушки с общей осью и одинаковым направлением намотки витков. К выводу от места соединения катушек между собой обычно присоединяется источник питания (трансформатор), а к концам - нагрузка. Между катушками существует электромагнитная связь. В нормальном режиме работы токи нагрузки в катушках направлены в разные стороны. Благодаря взаимному влиянию противоположно направленных токов в катушках падение напряжения в них меньше, чем в случае обычного реактора. Это является преимуществом сдвоенного реактора. При КЗ со стороны одной ветви ток в ней будет намного больше тока в другой ветви реактора. Влияние взаимной индуктивности снижается. Если принять за индуктивность ветви реактора значение L , а взаимной индуктивности М , то при коэффициенте связи К св=M/L=0,5 индуктивное сопротивление реактора в режиме КЗ возрастает примерно в 2 раза по сравнению с нормальным режимом работы, что повышает токоограничивающий эффект сдвоенного реактора.
9. Аппараты защиты от перенапряжений: принцип действия, особенности
конструкций, недостатки и преимущества. Общие требования к разрядникам.
Разрядники предназначены для защиты от перенапряжений при атмосферных явлениях (гроза) и неправильных оперативных переключениях персонала. При грозовых разрядах напряжение достигает 10 млн. Вольт, что может вывести из строя любую электроустановку. От прямых ударов молнии защищают стержневые и тросовые молниеотводы. Разрядник представляет собой элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от уровня напряжения. При нормальном рабочем напряжении его сопротивление - большое и разрядник является изолятором. При увеличении напряжения выше допустимого в разряднике происходит пробой и он становится проводником, по которому электрический разряд от проводов воздушной линии уходит в землю, т.к. разрядник одним концом присоединен к проводу а другим к заземлителю. При уменьшении напряжения до нормального, разрядник опять становится изолятором.
В разрядниках применяются в качестве рабочего элемента воздушные промежутки и специальные диски из материалов, изменяющих свое сопротивление в зависимости от напряжения:(вилит, гирит, тервит, карбид кремния с миканитовыми, фарфоровыми или слюдяными прокладками).
Величина воздушных промежутков зависит от напряжения:6 кВ — 10 мм ; 10 кВ — 15 мм ; 35 кВ — 100 мм .
Ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) являются аппаратами для глубокого (до 1,6 – 1,85 Uф) ограничения коммутационных перенапряжения с несколько лучшими грозозащитными характеристиками, чем у традиционных разрядников. Ограничители представляют собой высоконелинейное сопротивление на основе оксида цинка. Ограничители ОПН и ОПНИ отличаются схемой соединения. Ограничители с искровыми промежутками (ОПНИ) ограничивают также междуфазные перенапряжения (ОПНИ – 500 – до 1260 кВ при токе 1200 кВ). длина пути утечки изоляции ограничителей – не менее 1,8 см / кВ.
Пробивные напряжения искрового элемента ограничителя ОПНИ – 500 составляет не менее 800 – 1200 мкс /100 кВ.
Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)-электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН является нелинейный резистор – варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor – переменное, изменяющееся сопротивление).
Основное отличие материала нелинейных резисторов ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольт-амперной характеристики (ВАХ) и повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.
Основной компонент материала резисторов ОПН – оксид (окись) цинка ZnO. Оксид цинка смешивают с оксидами других металлов – закисью и окисью кобальта, окисью висмута и др. Технология изготовления оксидно-цинковых резисторов весьма сложна и трудоёмка и близка к требованиям при производстве полупроводников – применение химически чистого исходного материала, выполнение требований по чистоте и т. д. Основные операции при изготовлении – перемешивание и измельчение компонентов, формовка ( прессование) и обжиг. Микроструктура варисторов включает в себя кристаллы оксида цинка (полупроводник n – типа) и междукристаллической прослойки ( полупроводник p – типа). Таким образом, варисторы на основе оксида цинка ZnO являются системой последовательно – параллельно включённых p – n переходов. Эти p – n переходы и определяют нелинейные свойства варисторов, то есть нелинейную зависимость величины тока, протекающего через варистор, от приложенного к нему напряжения.
Общие требования к разрядникам.
П
ри
работе электрических установок возникают
напряжения, которые могут значительно
превышать номинальные значения
(перенапряжения). Эти перенапряжения
могут пробить электрическую изоляцию
элементов оборудования и вывести
установку из строя. Чтобы избежать
пробоя электрической изоляции, она
должна выдерживать эти перенапряжения,
однако габаритные размеры оборудования
получаются чрезмерно большими, так как
перенапряжения могут быть в 6—8 раз
больше номинального напряжения. С целью
облегчения изоляции возникающие
перенапряжения ограничивают с помощью
разрядников и изоляцию оборудования
выбирают по этому ограниченному значению
перенапряжений. Возникающие перенапряжения
делят на две группы: внутренние
(коммутационные) и атмосферные. Первые
возникают при коммутации электрических
цепей (катушек индуктивностей,
конденсаторов, длинных линий), дуговых
замыканиях на землю и других процессах.
Рис. 1. Согласование характеристик разрядника и защищаемого оборудования
Они характеризуются относительно низкой частотой воздействующего напряжения (до 1000 Гц) и длительностью воздействия до 1 с. Вторые возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер воздействующих напряжений и малую длительность (десятки микросекунд). Электрическая прочность изоляции при импульсах зависит от формы импульса, его амплитуды. Зависимость максимального напряжения импульса от времени разряда называется вольт-секундной характеристикой. Для изоляции с неоднородным электрическим полем характерна резко падающая вольт-секундная характеристика. При равномерном поле вольт-секундная характеристика пологая и идет почти параллельно оси времени. Основным элементом разрядника является искровой промежуток. Вольт-секундная характеристика этого промежутка (кривая 1 на рис. 1) должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемого оборудования (кривая 2). При появлении перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. После пробоя линия заземляется через сопротивление разрядника. При этом напряжение на линии определяется током 1, проходящим через разрядник, сопротивлениями разрядника и заземления R3- Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее ограничиваются перенапряжения, т. е. больше разница между возможным (кривая 4) и ограниченным разрядником перенапряжением (кривая 5). Во время пробоя через разрядник протекает импульс тока. Напряжение на разряднике при протекании импульса тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника. После прохождения импульса тока искровой промежуток оказывается ионизированным и легко пробивается номинальным фазным напряжением. Возникает КЗ на землю, при котором через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим. Сопровождающий ток может изменяться в широких пределах. Чтобы избежать выключения оборудования от релейной защиты, этот ток должен быть отключен разрядником в возможно малое время (около полупериода промышленной частоты). К разрядникам предъявляются следующие требования. 1. Вольт-секундная характеристика разрядника должна идти ниже характеристики защищаемого объекта и должна быть пологой. 2 Искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированную электрическую прочность при промышленной частоте (50 Гц) и при импульсах. 3. Остающееся напряжение на разряднике, характеризующее его ограничивающую способность, не должно достигать опасных для изоляции оборудования значений. 4. Сопровождающий ток частотой 50 Гц должен отключаться за минимальное время. 5. Разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта.
Основной недостаток вентильных разрядников состоит в низкой нелинейности (коэффициент нелинейности а = 0,25+0,40) нелинейных рабочих резисторов на основе карбида кремния. Подключение таких резисторов непосредственно к фазному проводу невозможно, так как это приведет к быстрому тепловому разрушению аппарата из-за протекания по нему значительного тока при рабочем напряжении. Поэтому последовательно с карборундовыми HP включают ИП, которые выдерживают фазное напряжение сети в течение всего срока службы разрядника и исключают возможность длительного протекания через нелинейный резистор токов опасных значений.
Относительно высокий коэффициент нелинейности используемых резисторов и неизбежное в этом случае наличие ИП являются причиной других недостатков РВ. Основными из них являются: нестабильность защитных характеристик, обусловленная разбросом напряжений срабатывания ИП и их снижением после многократных гашений дуг сопровождающего тока и вызванной этим эрозии электродов ИП; нестабильность защитных характеристик вследствие сильного влияния температуры и влажности (для вилитовых резисторов) на вольт-амперную характеристику HP и ее деградация от воздействий импульсов тока при ограничении перенапряжений; снижение пробивного напряжения разрядников при увлажнении загрязненной поверхности покрышки, определяющее возможность выхода аппарата из строя в нормальном эксплуатационном режиме; сложность профилактики (контроля пробивного напряжения); сложность конструкции, подбора параметров элементов и настройки пробивных напряжений ИП. Кроме того, РВ негативно влияют на электрическую сеть вследствие: поглощения из сети избыточной энергии при пропускании сопровождающего тока; возникновения перенапряжений на стороне низкого напряжения трансформаторов при срезе волн перенапряжений, вызванном срабатыванием РВ, подключенных к обмотке высокого напряжения.