ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 2_5

Лекция 2_5

Слайд_1

Средства защиты от перенапряжений, можно разделить на две большие группы: превентивные, обеспечивающие снижение вероятности возникновения перенапряжения сети и коммутационные, не влияющие на режим сети в нормальном режиме, и действующие только в случае появления грозовых или коммутационных перенапряжений. К первой группе относятся устройства заземления, грозозащитные тросы, молниеотводы, а также применительно к коммутационным перенапряжениям – качественные выключатели без повторных зажиганий дуги, дугогасящие реакторы для нейтрали.

Коммутационными средствами являются искровые промежутки, разрядники и нелинейные резисторы, подключаемые параллельно защищаемому оборудованию. Разрядник при появлении перенапряжения пробивается, резко изменяя свое сопротивление с практически бесконечного до весьма малого, так что точка прихода волны перенапряжения подключается через разрядную плазму к земле. При этом на объект защиты будет действовать только падение напряжения на разряде. Существует несколько типов защитных аппаратов, использующих электрический разряд: искровые промежутки , трубчатые и вентильные разрядники. Наряду с этим значительная часть оборудования защищена нелинейными ограничителями перенапряжений, выполняющих ту же функцию на основе применения высоко нелинейных силовых резисторов.

Слайд_2

Грозозащитные тросы в обязательном порядке устанавливаются на линиях электропередачи 330 кВ и выше. А также на линиях 110-220 кВ при использовании ж/б и стальных опор башенного типа. Грозотрос представляет собой стальной витой из оцинкованных проволок канат. К опоре грозотрос крепится с помощью изоляторов специальным зажимом, спуски закрепляются на опоре болтовым соединением. Наряду с положительной ролью грозотроса в части, последний привносит и ряд трудностей в эксплуатации воздушных линий. Трос, участвуя в вызываемой ветром пляске проводов, будучи заземленным, может стать причиной фазного короткого замыкания. Обрыв троса, например, вследствие коррозии или «пережога» при ударе молнии, приводит к его падению на защищаемые провода и

всевозможным типам замыканий. В связи с этим диагностика состояния грозотроса является важным элементом эксплуатации воздушных линий электропередачи.

Слайд_3

Вертикальные молниеотводы. Применяются для защиты оборудования подстанций высокого напряжения. Оценка зоны защиты одиночного молниеотвода показана на первом чертеже. Следует обратить внимание, что чем ближе к границе зоны защиты молниеотвода располагается объект, тем меньшую высоту он должен иметь. Нижний чертеж демонстрирует оценку зоны двухстержневого молниеотвода. Конструктивно молниеотводы выполняются как многоэлементные металлические или монолитные железобетонные башни.

Слайд_4

Заземляющие устройства. Простейшим способом заземления опор воздушных ЛЭП является использование свай фундамента опоры. Если удельное сопротивление грунта не слишком велико, то сваи фундамента являются естественным заземлением.

Слайд_5

В случае грунтов с высоким удельным сопротивлением приходится использовать дополнительные элементы – дополнительные вертикальные стержни или горизонтальные лучи, как показано на чертежах.

Слайд_6

Заземление подстанций устраивается с помощью размещаемых по контуру плана подстанции вертикальных стержней, заглубляемых на 5-10 м. Количество стержней выбирается исходя из требований к величине полного заземления сопротивления подстанции. Для обеспечения равномерного распределения потенциала в системе заземления вертикальные стержни связывают горизонтальными лучами.

Слайд_7

Полное выравнивание потенциала при большой площади подстанции достигается созданием сетки из горизонтальных стержней.

Слайд_8

Требования к качеству заземления подстанции оцениваются по величине сопротивления заземления, которое стандартными методами измеряется при воздействии напряжения промышленной частоты. Требуемые значения сопротивления заземления приведены в таблице.

Слайд 9.

К коммутационным средствам защиты от перенапряжений относятся технические средства, которые при появлении перенапряжения кратковременно изменяют конфигурацию сети таким образом, что напряжение на изоляции ограничивается на допустимом уровне. К подобным техническим средствам относятся всевозможные разрядники, ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) или их комбинация. Параметры устанавливаемого параллельно защищаемому объекту разрядника, выбираются таким образом, чтобы его искровые промежутки пробивались при появлении опасных перенапряжений. Для этого воль-секундные характеристики (ВСХ) разрядника и изоляции защищаемого объекта должны быть согласованы таким образом, чтобы ВСХ разрядника располагалась ниже ВСХ изоляции объекта. При этом собственное электрическое сопротивление газоразрядной плазмы в искровом промежутке должно быть достаточно мало, чтобы падение напряжение (остающееся напряжение) на разряднике при протекании тока промышленной частоты (сопровождающего тока) было ниже уровня изоляции защищаемого объекта. Также конструкция разрядника должна обеспечивать погасание дуги в искровом промежутке при переходе сопровождающего тока через ноль.

обеспечивается выбором минимального межэлектродного расстояния S1 в соответствии с данными в приведенной таблицы. Указанная выше форма электродов при зажигании дуги сопровождающего тока обеспечивает ее перемещения вследствие воздействия электродинамических сил в область больших межэлектродных расстояний. При этом дуга охлаждается в процессе быстрого перемещения в межэлектродном промежутке, а также удлиняется. Это приводит к росту собственного сопротивления дуги и ее погасанию. Описанный роговой разрядник часто снабжают дополнительным

искровым промежутком S2, который препятствует срабатыванию при посадке птиц на основные электроды разрядника.

Преимуществом описанной конструкции является простота и дешевизна. К недостаткам следует отнести: а) нестабильность вольт-секундных характеристик вследствие воздействия климатических факторов и изменения поверхности электродов при многократных срабатываниях; б) срезы тока и напряжения в процесс работы разрядника, вызывающие нежелательные переходные процессы в сети, приводящие, например, к перенапряжениям; в) негарантированное гашение дуги сопровождающего тока при его первом переходе через ноль создает условия для возникновения однофазного короткого замыкания в сети.

В ряде случаев подобные разрядники используются для защиты подвесных изоляторов в сетях низких классов напряжения.

Слайд 11.

Лучшими характеристиками в части гашения дуги обладаю трубчатые разрядники, в которых применяется принудительное гашение с помощью газодинамического потока газа, испаряющегося со стенок трубки в процессе горения дуги в основyом промежутке S2 . При это поток направлен из зоны дуги с относительно высоким давление в атмосферу. Для реализации описанного принципа работы используются трубки из специальных газогенерирующих под воздействием нагрева материалов: винипласт, фибробакелит. Для предотвращения тока утечки по поверхности газогенерирующей трубки при воздействии рабочего напряжения трубчатые разрядники снабжены дополнительным искровым промежутком S1 , который гарантировано разрывает электрическую цепь разрядника. Основной искровой промежуток трубчатого разрядника, находящегося под воздействие наибольшего рабочего напряжения сети, конструктивно защищен от прямого воздействия атмосферы. Это повышает стабильность его вольт-секундной характеристики. В тоже время выработка внутренней поверхности газогенерирующей трубки и электродов основного промежутка приводит к изменению ВСХ и условий гашения дуги сопровождающего тока при многократных срабатываниях.

Слайд 12.

Эффективность системы гашения дуги в трубчатом разряднике зависит от двух противоположно действующих факторов. С одной стороны рост тока дуги увеличивает давление и скорость газодинамического потока, с другой

уменьшает электрическое сопротивление дуги, что затрудняет ее гашение. С другой стороны при малых токах дуги интенсивность газодинамического потока может быть недостаточной для уверенного гашения дуги. Поэтому трубчатые разрядники характеризуются нижним и верхним пределами отключаемого тока согласно приведенной таблицы, где в частности приведены характеристики трубчатых разрядников для применения в сетях различных классов напряжения.

Слайд 13.

На слайде приведен внешний вид серийно выпускаемых трубчатых разрядников. Трубчатые разрядники, как и открытые искровые промежутки обладают недостатков, заключающемся в возможности среза тока и напряжения.

Слайд 14.

Конструкция разрядника вентильного типа предполагает включение последовательно с искровым промежутком нелинейного сопротивления, которое быстро возрастает при малых токах и весьма мало при протекании амплитудных значений сопровождающего тока. Это свойство обеспечивает эффективное гашение дуги сопровождающего тока без среза при его переходе через ноль, а с другой стороны - достаточно низкие значения остающегося напряжения. Для повышения стабильности ВСХ такие

характерные размеры которых показаны на рисунке. Сборка из необходимого количества искровых промежутков шунтируется высокоомным карборундовым резистором, обеспечивающим равномерное распределение напряжения по искровым промежуткам. Нелинейный резистор собирается из дисков (варисторов) из полупроводящей керамики на основе карбида кремния (вилит или тервит). Все элементы разрядника размещаются в герметичном фарфоровом корпусе снабженным внешним оребрением, обеспечивающим электрическую прочность конструкции при эксплуатации на открытом воздухе.

Слайд 15.

Для улучшения характеристик гашения дуги сопровождающего тока искровые промежутки конструируются таким образом, чтобы при их размещении в создаваемом постоянными или катушечными электромагнитами магнитном поле дуга сопровождающего тока приходила в

быстрое движение под действием электромагнитной, обеспечивающее интенсивное конвективное охлаждение (магнитное дутье). На рисунке показан такой искровой промежуток, представляющий из себя эксцентричный кольцевой зазор. Сверху и снизу плоских электродов размещаются постоянные магниты, создавая магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости электродов, что приводит к возникновению электромагнитной силы, перемещающей дугу в кольцевом зазоре. Эксцентричность расположения электродов обеспечивает пробой промежутка в узкой части зазора при появлении перенапряжения и гашения дуги сопровождающего тока в его широкой части. На фотографии можно наблюдать дугу, движущуюся в зазоре в момент испытания описанного искрового промежутка и искровой промежуток в сборе. Как и в случае промежутков с неподвижной дугой описанные искровые промежутки соединятся последовательно в количестве, обеспечивающем требуемую вольт-секундную характеристику.

Слайд 16.

Примеры магнито-вентильных разрядников приведены на рисунке. Для разрядников на высокие класс напряжения количество искровых промежутков и варисторов в конструкции может быть весьма большим. Поэтому для ограничения высоты конструкции разрядник может выполняться в виде двух рядом стоящих модулей. Размещаемы на верхнем фланце разрядника тороидальные экраны предназначены для выравнивания распределения электрического поля по высоте разрядника.

Слайд 17.

Основными характеристиками вентильных разрядников являются:

-определяемая свойствами нелинейного резистора вольт-амперная характеристика (ВАХ), связывающая остающееся напряжение и сопровождающий ток

-вольт-секундная характеристика (ВСХ), определяющая напряжение срабатывания разрядника и предразрядное время

Примеры данных характеристик с указание разрядного и сопровождающего токов, а также напряжение гашения приведены на рисунках.

Основными преимуществами вентильных разрядников являются защищенность от климатических воздействий, стабильные разрядные характеристики и надежное гашение сопровождающего тока. К недостаткам

следует отнести сложность конструкции, габариты и относительно высокую стоимость.

Слайд 18

Основные трудности эксплуатации защитных разрядников на основе искровых промежутков связаны с нестабильностью с течением времени их характеристик, главным образом ВСХ и тока гашения. Как было показано выше применение нелинейных резисторов на основе карбида кремния существенно повышают характеристики гашения сопровождающего тока. Однако данные резисторы невозможно использовать при отсутствии искровых промежутков, поскольку они, обеспечивая заданный уровень ограничения напряжения имеют недостаточно высокое сопротивление при воздействии рабочего напряжения. Это обстоятельство привело бы к тому, что при непосредственном (без искровых промежутков) подключении такого резистора к сети, ток через резистор вызовет нагрев, достаточный для его быстрой термической деструкции.

В 60-70 годы прошлого века были разработаны варисторы на основе окиси цинка, обладающие существенно большей нелинейностью по сравнению с применяемым в вентильных разрядниках вилитом и тервитом. Активная компонента тока утечки при воздействии рабочего для оксидноцинковых резисторов, обеспечивающих требуемый уровень ограничения перенапряжений, весьма незначительна (сотые доли миллиампер) уже не вызывает существенного нагрева (на несколько градусов по отношению к температуре окружающей среды). Поэтому эти резисторы могут использоваться в качестве защитных элементов непосредственно без применения искровых промежутков, что реализуется в современных защитных аппаратах – ограничителях перенапряжений нелинейных (ОПН). Их решающие преимущества: а) отсутствие электро-разрядных явлений и соответствующей вольт-секундной характеристики; б) отсутствие проблемы гашения тока сопровождения и, следовательно, отсутствие срезов тока и напряжения; в) отсутствие проблемы стабильности разрядных характеристик; г) высокая коммутационная способность по току (до 100 кА)

Слайд 19.

На рисунке представлены вольтамперные характеристики двух ОПН класса 110 кВ, рассчитанных на наибольшее рабочее напряжение 88 кВ и 73 кВ соответственно. Из рисунка видно, что резистор ОПН переходит из

практически не проводящего состояние в проводящее мгновенно при достижении напряжение значения 170 кВ и 200 кВ соответственно. Т.е. аппарат выполняет функцию разрядника. При этом его срабатывание не лимитируется какой-либо вольт-секундной характеристикой, а происходит всегда при одном напряжении практически независимо от формы импульса.

Слайд 20.

На рисунке показаны удельные ВАХ (в координатах напряженность электрического поля-плотность тока) оксидно-цинковых и карбидкремниевых варисторов. Из рисунка видно, что в зоне воздействия рабочего напряжения (область I) плотность тока в оксидно-цинковом варисторе намного порядков ниже, чем в карбид-кремниевом. В тоже время в зоне больших молниевых токов (область III) оксидно-цинковые варисторы обеспечивают достаточно низкий уровень остающегося напряжения.

Следует отметить, что как и у всякой полупроводящей структуры имеет место заметная зависимость ВАХ от температуры, что показывает рисунок. С ростом температуры плотность тока утечки возрастает. Поэтому в процессе разработки ОПН предусмотрены специальные испытания его тепловой устойчивости.

Оксидно-цинковая керамика наряду с уникальной ВАХ обладает очень высокой диэлектрической проницаемость с относительной величиной 600800. Поэтому электрическая схема замещения варистора представляет собой параллельное соединение емкости и нелинейного резистора.

Слайд 21.

На рисунках показана конструкция ОПН фарфоровом изоляционном корпусе. Зеленым цветом показан нелинейный резистор аппарата. Фланцы ОПН выполнены герметичными, что предотвращает проникновение атмосферного воздуха внутрь аппарата.

Слайд 22

На рисунках показаны конструкции монолитных ОПН в полимерном изоляционном корпусе: аппарат на основе стеклопластиковой трубы и аппарат с системой жесткости на основе стеклопластиковых стержней.

Слайд 23.

На подстанция высокого напряжения сосредоточено основное и самое дорогостоящее оборудование высоковольтной электроэнергетики. Поэтому

требование к молниезащите более высокие по сравнению с линиями электропередач.

Наряду со стандартными решениями, связанными с применением молниеотводов и систем заземления, предназначенных для защиты подстанции от ударов молнии, подстанцию следует защищать от волн перенапряжений, приходящим в результате ударов молнии в подходящие к подстанции линии электропередачи. Это обеспечивается выбором установкой ОПН, а также обязательной защитой подходов с помощью грозотросов.

Слайд 24.

Уровень грозоупорности подстанции высокого напряжения, аналогично воздушной ЛЭП определяется верхними пределами амплитуды тока молнии при прямых ударах в подстанцию, при которых еще не происходит прямого или обратного перекрытия между токоведущими и заземленными частями объекта.

Данный критерий не применим при оценке защиты от набегающих по линиям волн, так как крутизны фронтов и амплитуды импульсов могут сильно различаться в зависимости от места удара молнии. Поэтому для случая набегающих волн критерием служит кривая опасных волн в координатах крутизна-амплитуда волны напряжения.

Среднее ожидаемое число лет безаварийной работы подстанции определяется по числу превышения заданного допустимого уровня перенапряжений вследствие прямых ударов молнии в токоведущие части, обратных перекрытий при ударах в заземленные элементы, при ударах в зону защищенного подхода и от приходящих по линиям волн перенапряжений. При этом основной вклад в результирующую оценку вносят приходящие волны и удары в линии в зоне подхода к подстанции.

Слайд 25.

При выборе мест и числа установки на подстанции защитных аппаратов (ОПН, разрядники) исходят из следующих минимальных требований. Для п/с 330 кВ и выше ОПН устанавливается у каждого трансформатора и реактора . Для п/с 110—220 кВ по одному комплекту ОПН на каждую систему шин.

На подстанциях 35 кВ и ниже обязательна установка ОПН в точках соединения кабельных линий с воздушной. Также защищаются фидерные токоограничивающие реакторы и силовые трансформаторы трансформаторы.

Слайд 26.

ОПН устанавливаются для защиты коммутационных аппаратов, например шинных выключателей

Слайд 27.

При расчете волновых переходных процессов в П/С в связи с набегающими волнами в схеме замещения используются емкости оборудования. Поскольку при временах воздействия порядка десяти микросекунд индуктивности реального оборудования (трансформаторы, реакторы, ошиновка) практически являются разрывам, а токи напряжения определяются только емкостями.

На рисунке представлены расчетные схемы для оценки перенапряжений для случая стандартной и каскадной схемы расстановки ОПН для защиты от волн, набегающих на подстанцию по линиям Л-176 и Л-177. Вторая схема обеспечивает более глубокое ограничение перенапряжений, однако требует вдвое большего количества защитных аппаратов.

Слайд 28.

Рисунок иллюстрирует эффект от применения ОПН в схеме П/С, представленный предыдущим слайдом для случая волны напряжения амплитудой 5 МВ и фронтом 0.5 мкс, приходящей по линии Л-176. Красными кривыми показано остающееся напряжение для срезанной и полного импульса напряжения. Там же показано напряжение на трансформаторе и ток ОПН.