Контрольные вопросы и задания

1. В чем заключаются особенности режима работы и конструкции трансформаторов тока и напряжения?

2. Назовите основные типы трансформаторов тока и напряжения.

3. Какие погрешности вносят в измерения трансформаторы тока и напряжения, от чего они зависят?

4. Что такое класс точности? Какие классы точности установлены для измерительных трансформаторов?

5. Для какой цели необходимо заземлять вторичные обмотки?

6. Чем опасен разрыв вторичной обмотки трансформатора тока?

7. Объясните работу схемы контроля изоляции.

8. Почему необходимо заземлять нейтраль первичной обмотки трансформатора напряжения в схеме контроля изоляции?

9. Что будут показывать вольтметры контроля изоляции при соединении фазы В через небольшое переходное сопротивление с землей?

10. Каковы будут показания вольтметров контроля изоляции при металлическом замыкании фазы А на землю, если нулевая точка первичной обмотки трансформатора напряжения оказалась ошибочно незаземленной?

11. Почему в схеме учета электроэнергии в низковольтных сетях вторичные обмотки трансформаторов тока соединены с первичными?

Работа 13. Средства защиты электроустановок от перенапряжений

Содержание работы

1. Изучить конструкцию и принцип действия средств защиты от перенапряжений.

2. Изучить конструкцию и правила выбора трубчатых, вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений.

3. Изучить схемы защиты сельских, подстанций от перенапряжений.

Общие сведения

Защита от перенапряжений, вызванных атмосферными явлениями, наведенных или коммутационных перенапряжений, отрицательно влияющими на состояние изоляции защищаемого электрооборудования, осуществляется защитными промежутками, трубчатыми, вентильными разрядниками и ограничителями перенапряжений.

Защитные промежутки

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка (ИП) с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции. При выполнении этого требования появление опасных для изоляции элект­роустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения U_пад происходит пробой ИП с последующим резким падением («срезом») напряжения. Вслед за импульсным током через защитный промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, – сопровождающий ток. Должно быть обеспечено гашение дуги сопровождающего тока для того, чтобы избежать устойчивого короткого замыкания, в течение времени меньшего, чем действие релейной защиты. Искровые промежутки являются самым простым и дешевым устройством защиты от перенапряжений, в настоящее время оно применяется редко. В сетях напряжением 3…35 кВ устройства могут выполняться в виде рогов, способствующих растягиванию и гашению дуги из-за электродинамических сил и тепловых потоков. В сетях до 35 кВ длина защитного промежутка мала, и для предотвращения замыкания промежутка птицами в заземляющих спусках создаются дополнительные искровые промежутки.

Искровые промежутки обладают целым рядом недостатков, основные из которых следующие: срабатывание искровых промежутков приводит к короткому замыканию, которое должно отключаться выключателями; при переходном процессе среза напряжения могут возникнуть перенапряжения на продольной изоляции трансформаторов, реакторов и электрических машин; большой статистический разброс пробивных напряжений затрудняет координацию изоляции; вольт-секундная характеристика искрового промежутка из-за резкой неоднородности поля имеет подъем в области малых времен, соответствующих грозовым перенапряжениям, и защищаемая изоляция может остаться незащищенной. Достаточно широко применяемые на контактной сети роговые разрядники, которые выполняются либо с одним искровым промежутком, либо с двумя искровыми промежутками представлены на рис. 5.33.

Рис. 5.33. Простейший искровой промежуток (роговые 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 (табл. 5.35).

а	б
Р ИП ис. 5.34. Принцип действия защитного устройства: а – схема включения; б – согласование вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции и ИП

Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеоднородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секундных характеристик изоляции и защитных промежутков во всем диапазоне предразрядных времен (рис. 5.34б), при малых временах изоляция может оказаться незащищенной. Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, а их модификации – защитных разрядников, в качестве первой ступени защиты в сетях низших классов напряжения. На линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений принимаются специальные меры по ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут на них применяться, в качестве координирующих, т.е. для ограничения макси­мального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях.

Трубчатые разрядники

Трубчатые разрядники также широко применяются в сетях высокого напряжения. Они предназначены для защиты высоковольтных подходов к подстанциям от перенапряжений. Устройство и принципиальная схема включения трубчатого разрядника (РТ) показана на рис. 5.35.

а	б
Рис. 5.35. Трубчатый разрядник (РТ): а – устройство; б – принципиальная схема включения

Закрытый искровой промежуток, образованный двумя металлическими электродами 1 внутри винипластовой трубы 2, на одном конце которой укреплен открытый металлический наконечник 3. Внешний искровой промежуток образован стальными стержневыми электродами, один из которых с помощью зажима 4 присоединен к открытому наконечнику.

Основу разрядника составляет трубка из газогенерирующего материала и внутренний дугогасящий промежуток l₂. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутком l₁, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки. Защитное действие трубчатого разрядника характеризуется его вольт-секундной характеристикой и сопротивлением. Вольт-секундная характеристика определяет напряжение срабатывания разрядника, а сопротивление заземления – остающееся на разряднике после его срабатывания импульсное напряжение. При воздействии на трубчатый разрядник импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности много больше длины внутреннего промежутка) и происходит ограничение импульса напряжения. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Крутая вольт-секундная характеристика и наличие зоны выхлопа не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты подстанционного оборудования. Основное их применение – это защита линейных подходов к подстанциям в сетях до 220 кВ, электрооборудования маломощных подстанций 3…10 кВ и участков пересечения линий различного номинального напряжения.

В типе разрядника: Р – разрядник, Т – трубчатый, Ф – фибробакелитовый, В – винипластовый, ВС – винипласт, стеклопластик (материал дугогасительной камеры и корпуса), число после первого дефиса – номинальное напряжение, кВ; в числителе – нижний предел тока отключения, кА, в знаменателе – верхний предел тока отключения, кА; У – для работы в районах с умеренным климатом, ХЛ – с холодным климатом; цифра 1 – для работы на открытом воздухе.

Вентильные разрядники

Для защиты изоляции электрооборудования подстанций до настоящего времени широко применялись вентильные разрядники (РВ). В соответствии с защитными характеристиками этих аппаратов устанавливаются уровни изоляции трансформаторов и аппаратов подстанций.

Разрядник состоит из искровых промежутков 1 и нелинейных резисторов 2, заключенных в герметично закрытую фарфоровую покрышку 3. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 5.36). При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток (ИП) и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопро­тивлении резистора. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении импульсного тока (рис. 5.37б).

Рис. 5.36. Устройство вентильного разрядника серии РВО

Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение U_ост, представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (5…14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надежно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий сопровождающий ток – током гашения I_гаш. Дугогасящее действие искрового промежутка РВ характеризуется коэффициентом гашения. Увеличение нелинейности сопротивления резистора приводит к уменьшению остающегося напряжения и снижению U_защ. И чем больший ток I_гаш допустим для разрядника, тем меньше U_ост при неизменной вольт-амперной характеристике со­противления.

а б

Рис. 5.37. Вентильный разрядник: а – схема включения; б – вольт-амперные характеристики

Таким образом, значение U_защ определяется не только свойствами нелинейного резистора, но и конструкцией искрового промежутка, от которой зависит ток гашения. Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC, сопротивление которого нелинейно зависит от напряженности электрического поля. Свойство материала резко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых при пониженных, называют «вентильным». Отсюда и название аппарата: вентильный разрядник. Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков (рис. 5.38, 5.39).

а	б
Рис. 5.38. Разрядник с многократным искровым промежутком: а – единичный искровой промежуток с неподвижной дугой; б – вид вольт-секундной характеристики

а	б
Рис. 5.39. Вентильный разрядник: а – вольтамперная характеристика резистора; б – напряжение на вентильном разряднике при его срабатывании

Единичные промежутки включаются последовательно друг с другом для улучшения гашения дуги, которая нестабильна в небольшом промежутке с холодными электродами. У многократного искрового промежутка, однако, происходит неравномерное распределение напряжения на отдельных промежутках, аналогично гирлянде изоляторов, что приводит к снижению пробивного напряжения при малых временах порядка 2 – 4 мкс (рис. 5.39б).

Нелинейные ограничители перенапряжений

Разработанные резисторы на основе оксида цинка (ZnO) обладают значитель­но большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип аппарата – нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН) [6]. Ограничители представляют собой разрядники без искровых промежутков, в которых активная часть состоит из металлооксидных нелинейных резисторов, изготавливаемых из окиси цинка (ZnO) с малыми добавками окислов других металлов. В настоящее время (ОПН) применяют для защиты подстанционного оборудования вместо вентильных разрядников. Они имеют следующие преимущества по сравнению с вентильными разрядниками:

• глубокий уровень ограничения для всех видов волн перенапряжений;

• отсутствие сопровождающего тока после затухания волны перенапряжения;

• простота конструкции и высокая надежность в эксплуатации;

• стабильность характеристик и устойчивость к старению;

• способность к рассеиванию больших энергий;

• непрерывное подключение к защищаемой сети;

• стойкость к атмосферным загрязнениям;

• малые габариты, вес и стоимость.

Высоконелинейная вольт-амперная характеристика резисторов позволяет длительно находиться под действием рабочего напряжения, обеспечивая при этом глубокий уровень защиты от перенапряжений. На рис. 5.40 представлены вольт-амперные характеристики элементов из окиси цинка и электротехнического карборунда SiC. Хорошо видно, что при напряжении 6 кВ ток через ZnO составляет миллиамперы в то время, как через элементы SiC протекает ток в сотни ампер. Следовательно, обычные вентильные разрядники нуждаются в серии искровых промежутков для гашения дуги сопровождающего тока. Ограничители перенапряжений переходят в проводящее состояние при приложении повышенного напряжения. После прекращения действия перенапряжений ток через ОПН уменьшается в соответствии с его ВАХ. Таким образом, в отличие от РВ, протекание сопровождающего тока не наблюдается.

Рис. 5.40. ВАХ элементов из окиси цинка и электротехнического карборунда SiC

Основным элементом нелинейного ограничителя перенапряжений является нелинейное сопротивление, которое обычно изготавливается из оксида цинка и обладает резко нелинейной характеристикой.

Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65…1,8) Uф. Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2…2,4) Uф в сетях 110 кВ и снижается до 2 Uф для линий электропередачи 750 кВ.

Коэффициент нелинейности резисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03…0,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи, протекающие через ОПН, достигают значений нескольких килоампер, коэффициент нелинейности возрастает до 0,07…0,1. Такая высокая нелинейность обу­словливает прохождение при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера на одну параллельную колонку. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Однако длительное воздействие перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость аппарата. Вольт-амперная характеристика ОПН может значительно изменяться в зависимости от температуры (плотности протекающего тока).

Эффективность защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений (рис. 5.41) зависит не только от уровня защиты ограничителя и величины координационного интервала, но также в значительной степени от размещения ограничителя по отношению к защищаемому оборудованию. Причиной увеличения перенапряжения на оборудовании при увеличении расстояния от ограничителя является эффект отражения. При определенном удалении ограничителя от оборудования защита становится неэффективной.

Рис. 5.41. Защита электрооборудования от грозовых перенапряжений

На увеличение остающегося напряжения также оказывает влияние индуктивное сопротивление подсоединенных проводников ограничителя (фазного и заземляющего), на каждом метре которого остающееся напряжение увеличивается на 1…4 кВ в зависимости от крутизны фронта волны перенапряжения. Только надежное присоединение к заземлителю с минимальным контактным сопротивлением может обеспечить нормированный защитный уровень. Большое значение сопротивления заземления определяет большое значение напряжения на выводах защищаемого аппарата: дополнительно к остающемуся напряжению ОПН добавляется падение напряжения на заземлителе. При больших токах, протекающих через ОПН, и, следовательно, через заземляющее устройство, в месте установки ОПН, падение напряжения на заземлителе может достигать нескольких киловольт, а в случае неудовлетворительного состояния заземлителя – значительно больших значений. В этом случае работа ОПН будет неэффективной.

Существующие методы расчета допустимых защитных расстояний требуют знания целого ряда параметров сети и временных характеристик перенапряжений, как правило, неизвестных, что значительно снижает их практическую ценность. Во всех случаях расстояние между ограничителем и защитным оборудованием должно быть по мере технических возможностей как можно короче.

Предельное расстояние L между ограничителем и местом установки защищаемого оборудования можно получить из выражения

L = [V/(2S)](U_исп/1,2) – U_ост;

S = 1/(5·10^–6D_защ),

где D_защ – длина защищенного подхода.

Если сумма проводников меньше, чем защитное расстояние L, тогда электрическое оборудование в точке Р защищено.

Кабель, соединяющий воздушную линию с оборудованием подстанций, часто подвержен воздействию грозовых перенапряжений только со стороны линии. При небольшой длине кабельного участка рекомендуется использование ограничителей перенапряжений непосредственно на кабельных вводах. При длине кабеля более 70 м в сетях класса напряжения 6 кВ и более 30 м в сетях 10 кВ возможна защита обоих концов кабеля при подключении ограничителей между фазными проводами и оболочкой кабеля (рис. 5.42).

Р ис. 5.42. Защита от перенапряжений кабельных линий

Кабельные сети обычно не подвергаются непосредственному воздействию атмосферных перенапряжений, но возможна защита кабелей, не соединенных с воздушными линиями от коммутационных перенапряжений однофазных замыканий, которые часто являются причиной повреждения изоляции.

Изоляция кабелей в процессе эксплуатации регулярно подвергается воздействию перенапряжений при коммутациях и однофазных замыканиях, которые из-за относительно небольшой амплитуды непосредственно не приводят к пробою, но обладая накапливающим эффектом с течением времени, ослабляют ее изоляцию. Применение ограничителей перенапряжений уменьшает степень деградации изоляции, снижает вероятность группового повреждения кабелей при возникновении дуговых однофазных замыканий и увеличивает эксплуатационную надежность сети в целом.

Электродвигатели высокого напряжения устанавливаются, как правило, в сетях, не подверженных воздействию грозовых перенапряжений. Целью защиты электродвигателей является защита изоляции от коммутационных перенапряжений, вызванных, например, повторными запусками при отключениях во время разгона. Обычно для этого применяются ограничители, подключенные по схеме «фаза–земля» (рис. 5.43). Такой метод эффективно защищает изоляцию электродвигателя относительно земли.

Рис. 5.43. Защита двигательной нагрузки от перенапряжений

Как правило, каждый установленный в сети трансформатор защищается от атмосферных перенапряжений ограничителями, подключенными по схеме «фаза–земля». Если опасности воздействия молнии подвергается только высоковольтная обмотка трансформатора, то необходимо защищать не только ее, но и низковольтную обмотку, так как до 40 % перенапряжений способно навестись на нее емкостным путем.

Если опасности воздействия молнии подвергается только низковольтная обмотка трансформатора, то достаточно защищать только ее.

Указания к выполнению работы

1. Изучить назначение и основные технические данные трубчатых и вентильных разрядников. Записать в протокол паспортные данные разрядников, представленных в лаборатории.

2. Изучить конструкцию трубчатых разрядников, обратив внимание на внутренний искровой промежуток, форму электродов, длину трубки, указатель срабатывания. Разобраться с принципом действия разрядника.

3. Изучить конструкцию вентильных разрядников, разобрать поэлементно и собрать разрядник РВО-10, обратив внимание на конструкцию искровых промежутков, исполнение нелинейного сопротивления, на обеспечение контактов и герметичности.

4. Изучить конструкцию и принцип действия ОПН.

5. Изучить схемы защиты сельских электроустановок от набегающих волн перенапряжений.