Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрооборудование высокого напряжения и его эксплуатация. Учебное пособие
.pdf
2. ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
2.1. КОНСТРУКЦИЯ И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ
ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Ограничители перенапряжений – класс устройств и аппаратов,
предназначенных для ограничения действующих напряжений и отвода
импульсных токов, превышающих допустимые значения в электроустановках во всем диапазоне рабочих напряжений. По принципу действия можно выделить три типа ограничителей перенапряжений.
1. Ограничители перенапряжений с промежутками характери-
зуются высоким сопротивлением в отсутствие воздействующего импульса и резким снижением сопротивления при импульсном воздействии напряжения (искровые промежутки, трубчатые и вентильные
разрядники, газонаполненные герметизированные разрядники, тиристоры, динисторы, семисторы, импульсные лавинные диоды). Эти
устройства, обеспечивающие наряду с защитой изоляции от перенапряжений прерывание сопровождающего тока за меньшее время
ствия релейной защиты, получили название защитных разрядников.
2. Ограничители перенапряжений без промежутков характери-
зуются высоким сопротивлением при отсутствии воздействующего
импульса напряжения (тока) и нелинейным снижением сопротивления
по мере возрастания импульса напряжения или тока (нелинейные сопротивления, варисторы, стабилитроны, ограничительные диоды).
Эти устройства ограничивают напряжения при отводе энергии от источника воздействия, преобразуя ее в тепло с повышением температуры основных рабочих элементов
превышением критических значений температуры и потерей термической стойкости).
3. Ограничители перенапряжений комбинированного типа
включают в себя комбинацию ограничителей обоих типов с промежутками и без промежутков с соответствующим последовательным и/или
защитного аппарата (с возможным
дей-
41
параллельным соединением ограничителей в зависимости от характеристик импульсных воздействий.
В настоящее время в электроустановках высокого напряжения
применяют металлооксидные ограничители без промежутков – ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе межфазных, малые габариты, большая пропускная способность ОПН обусловливают их
широкое применение в качестве аппаратов защиты
от перенапряжений.
Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью
ОПН составляет (1,6…1,8)U
ний – (1,8…2,2) U
, (где Uф – фазное напряжение). При выборе ОПН
ф
, ограничения грозовых перенапряже-
ф
необходимо координировать их защитные характеристики с уровнем
изоляции защищаемого оборудования для достижения надежной защиты изоляции.
ОПН – аппарат, в котором активная часть состоит из одного или
нескольких нелинейных металлооксидных резисторов на основе оксида цинка ZnO (варисторов), соединенных последовательно и/или параллельно без встроенных искровых
промежутков. ОПН комплектуют
из резисторов в виде дисков диаметром 20…100 мм и высотой
8…60 мм. В нормальном рабочем режиме ток через ОПН носит емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. При импульсном воздействии резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание напряжения. При снижении
уровня воздействия ограничитель
возвращается в непроводящее состояние. В нормальном состоянии ОПН должен обеспечивать тепловой
баланс между выделяемой и отводимой энергией. Основная характеристика ОПН, определяющая защитные свойства, – вольт-амперная характеристика.
Конструкция и основные элементы ОПН высокого напряжения
представлены на рис. 20.
Изоляционный корпус ОПН с развитой поверхностью изготовляют
из различных диэлектрических материалов: электротехнического
фарфора, керамики, полимерных материалов с достаточно высокой электрической и механической прочностью, трекингостойкостью и стойкостью к атмосферным воздействиям. Корпус ОПН герметично закрыт
металлическими оконцевателями (фланцами), которые электрически
соединены с колонкой варисторов (с нижней поверхностью нижнего
и верхней поверхностью верхнего варистора).
42
ОПН выпускаются опорного и подвесного исполнения. Последний
вариант, как правило, выполняют в синтетических корпусах, изготовляемых из стеклопластиковых труб с защитным ребристым силиконовым покрытием.
Рис. 20. Конструктивное исполнение ОПН:
1 – фланец с соплом; 2 – клапан-мембрана герметизации; 3 – прижимающая
пружина; 4 – алюминиевая прокладка; 5 – металлооксидные варисторы; 6 –
полимерный цилиндрический корпус
При номинальном напряжении сети ток через колонку варисторов
ОПН составляет около 0,5 мА. С повышением напряжения до 1,8U
– номинальное рабочее напряжение) при коммутационных перена-
(U
н
пряжениях ток достигает сотен и тысяч ампер в зависимости от класса
напряжения и варианта исполнения ОПН. При напряжении 2,1U
фазное номинальное напряжение) ток составляет около 5000 А, при
напряжении 2,25U
– 10 000 А. Приведенные значения напряжений
ф
определяют уровни ограничения коммутационных и грозовых перенапряжений, которые значительно ниже, чем при использовании разрядников с искровыми промежутками.
Все ОПН снабжены клапанами для сброса давления при повреждении одного или нескольких варисторов и возникновении электрической дуги внутри корпуса, поэтому ОПН взрывобезопасны.
На номинальное напряжение
сети до 110 кВ, как правило, ОПН
выполняются в виде одного герметичного закрытого модуля. На более
(Uф –
ф
н
43
высокие напряжения ОПН изготовляются из двух или нескольких модулей, соединенных последовательно оконцевателями (фланцами). Выравнивание напряжения вдоль колонки варисторов ОПН класса 110 кВ
и выше обеспечивается с помощью тороидальных экранов в нижней
и верхней части ОПН.
ОПН могут подсоединяться к шинам подстанции, устанавливаться
вблизи выводов силовых трансформаторов (в опорном исполнении на
специальных подставках, в подвесном исполнении – подвешиваться
к порталам подстанции), а также непосредственно на линиях электропередачи для защиты переходов через водные преграды и возвышающихся над местностью участков линий.
Эксплуатация ОПН довольно проста: необходимо периодически
(один раз в год) измерять ток проводимости через колонку варисторов
либо измерять распределение температуры вдоль
колонки варисторов
с помощью тепловизора.
Несмотря на то что ограничители перенапряжений не требуют какой-либо диагностики, с точки зрения эксплуатационных предприятий
желательно через определенные промежутки времени проверять состояние ограничителя. Из практических и экономических соображений
предпочтительней проверка без снятия напряжения с ограничителя
и отделения его от сети. В методе
гармонического анализа тока ограничителя влияние гармоник в напряжении сети минимизировано. Благоприятный эффект достигается применением датчика поля, позволяющего компенсировать гармонические составляющие тока, генерируемые
гармониками напряжения сети. В настоящее время применяются методики определения состояния ОПН, которые основываются на измерении
тока в заземляющем проводнике ограничителя. Хорошим индикатором
состояния ОПН является
активная составляющая длительно протекающего тока через ограничитель перенапряжений. В отличие от кратковременного увеличения активной оставляющей тока, вызванного
временным повышением температуры варисторов, значительное увеличение активной составляющей длительно протекающего тока может
быть вызвано либо влагой, попавшей внутрь защитного аппарата из-за
нарушения уплотнительной системы, либо преждевременным старением
оксидно-цинковых
варисторов.
Активный ток начинает преобладать в точке перегиба вольтамперной характеристики варисторов (рис. 21, a). В соответствии
со стандартом МЭК для достижения этой точки можно приложить
классификационное (опорное) напряжение, которое у большинства
44
высоковольтных ограничителей очень близко к номинальному. Обычно наибольшее длительно допустимое напряжение составляет от 0,6
до 0,8 номинального.
Оксидно-цинковый варистор может быть представлен следующей
упрощенной электрической схемой (рис. 21, б). Обычно удельная ем-
пФ
кость оксидно-цинкового варистора составляет 75
кВ см
, а значение
протекающего емкостного тока находится в пределах 0,5…3 мА
в зависимости от диаметра варистора. Для реальных ограничителей
величина емкостного тока зависит от количества параллельно установленных колонок варисторов, паразитных емкостей и длительного рабочего напряжения. При этом активная составляющая тока варистора
составляет от 50 до 250 мкА.
a б
Рис. 21. Типовая активная составляющая тока для варистора
с диаметром 75 мм (a); упрощенная электрическая схема варистора (б)
Активный ток варистора может быть выражен как
– активная составляющая тока; U – напряжение; R – коэффици-
где I
a
ент материала;
– коэффициент, являющийся функцией от темпера-
IRU
a
, (48)
туры и напряжения.
Значение
находится в промежутке от 2 до 5 при нормальном
напряжении. Однако у разных производителей варисторов характеристика протекающего тока может различаться.
В общем случае измерения полного тока проводятся с помощью
стационарно установленного миллиамперметра, который показывает
45
среднее значение выпрямленного тока, либо переносным миллиамперметром для измерения среднего и амплитудного значения тока. Проведенные измерения показали, что увеличение активной составляющей
до 500 мкА дает повышение среднего тока на 10 %, в то время как ее
увеличение до 250 мкА – только на 3 %, что очень трудно поддается измерению. Приборы для измерения амплитудного значения
тока еще менее чувствительны: увеличение до 700 мкА дает прирост только 5 %.
С учетом изменений в напряжении сети, которые также оказывают
влияние, видим, что этот метод не подходит для определения состояния ограничителя.
Непосредственное измерение активной составляющей тока является наиболее предпочтительным методом, так как он позволяет сравнивать результат с
ожидаемым уровнем активной составляющей при
нормальном напряжении. Активная составляющая тока определяется
путем регистрации тока в момент, когда значение амплитуды напряжения максимально. Однако этот метод трудно применим на практике.
Во-первых, необходимо, чтобы напряжение на ограничителе измерялось одновременно с измерением тока и, во-вторых, сдвиг фаз должен
быть очень мал
. Более того, надо, чтобы трансформаторы, удовлетворяющие этим требованиям, присутствовали во всех фазах и все переключения сделаны были без отключения ограничителя от сети. Поэтому метод непосредственного измерения активной составляющей тока
может быть применен в некоторых специфических случаях, но не подходит для регулярной диагностики ограничителей.
Благодаря нелинейному сопротивлению
варистора протекающий
через него ток содержит гармоники при подключении к синусоидальному напряжению. Так как амплитуда гармоник тока увеличивается с
ростом активной составляющей, наличие гармоник может служить индикатором состояния ограничителя. Однако гармоники в напряжении
сети могут накладываться на гармоники, генерируемые нелинейным
сопротивлением варистора. Количество гармоник в напряжении сети
изменяется в
зависимости от типа нагрузки и уровня напряжения. Считают, что содержание третьей гармоники при напряжении 60 кВ и выше не превышает 1…1,5 %.
Для ограничителя с типовой емкостной составляющей тока 1 мА
один процент третьей гармоники напряжения генерирует емкостную гармоническую составляющую 30 мкА. При этом амплитуда этого гармони-
46
ческого тока имеет тот же порядок, что и типовая третья гармоника, гене-
A
рированная нелинейным сопротивлением ограничителя. Поэтому определение третьей гармоники таким методом может быть ошибочным.
С целью измерения гармоники, генерируемой нелинейным сопротивлением ограничителя, применяется технология компенсации, где третья
гармоника, генерированная напряжением сети, устраняется и устанавливается связь между третьей
гармоникой активного тока и полным актив-
ным током.
Третья гармоника напряжения сети генерирует емкостную токовую
составляющую
токе третьей гармоники
той же частоты. Доля этой составляющей в полном
I
3C
может быть значительной. В этом случае
I
3П
третья гармоника активного тока, генерированная нелинейным сопротивлением варистора, может быть определена из выражения
Амплитуда и угол фазы
проводимости I
, измеряемого в заземляющем проводнике ограничи-
П
III
33П 3AC
I
могут быть выделены из полного тока
3П
. (49)
теля (рис. 22), путем разложения его в ряд Фурье. Емкостная третья
I
гармоника тока
может быть определена
3С
непосредственно и косвенным путем измерениями электрического поля (рис. 23). Третья
гармоника
разложения
и угол фазы
третья гармоника активного тока
быть получена из выражения (49). Ток
I может быть получена путем
3Д
I в ряд Фурье. Если амплитуда
Д
может
3
I
3С
I
3С
I могут быть связаны с
3Д
I
,
главным образом зависит от третьей гармоники напряжения фазы, к которой подключен
ограничитель, и в некоторой степени от
напряжения соседних фаз из-за влияния паразитных емкостей. Ток датчика
I зависит
Д
только от паразитных емкостей, а значит, и от
соседних фаз.
Рис. 22. Полный ток
проводимости и ток
датчика поля, располо-
женного у основания
47
В предположении, что третья гармоника фазного напряжения име-
K
K
K
ет тот же угол
, что и ток основной частоты, и, рассматривая только
3
основную и третью гармонику, будем иметь:
( ) cos(2 2 / 3) cos (3 )
Ut U ftn U
nn n
133
, (50)
где n = 0, 1, 2 – номер фазы; f – основная частота.
Из выражения (50) следует, что все три гармоники напряжения
различаются по фазе на 2 рад, и, следовательно, могут быть
U
3n
представлены как напряжение нулевой последовательности с частотой,
I
в три раза большей основной. Таким образом,
угол, как и
, вне зависимости от расположения датчика поля.
I
3C
имеет такой же
3Д
Так как емкость датчика поля в общем случае неизвестна, то для
определения амплитуды
необходимо найти
I
3C
основано на сравнении основной гармоники
I
. Определение
3Д
I
и
I
1П
, так как ток
1Д
I
3Д
I
1П
является преимущественно емкостным и его амплитуда мало чувствительна к увеличению активной составляющей тока (рис. 23). Увеличение основной составляющей тока дает только несколько процентов
роста активного тока. Таким образом,
таться равным
I
может быть выражена следующим образом:
и
1Д
и связь между амплитудой основной частоты
I
C
/
II
11П 1Д
практически может счи-
I
1П
I
1П
, (51)
емкостная составляющая третьей гармоники
Используя выражения (51) и (52) и считая, что
равен
, можем выразить
I
1C
IKI
333ДC
:
K
3
//
KI I I I
311Д 13 3Д
. (52)
CC
практически
I
1П
. (53)
Для каждой частоты токи пропорциональны напряженности электрического поля, поэтому формула (53) может быть переписана в следующем виде:
KE E E E
311Д 13 3Д
//.
CC
48
(54)
Рис. 23. Увеличение основной составляющей
в зависимости от амплитуды активного тока
При однофазном рассмотрении соотношение между основной и третьей гармоникой электрического поля постоянно и не зависит от расположения в пространстве. Однако в трехфазной модели связь между
составляющими электрического поля зависит от расположения провод-
2/3
ников в пространстве из-за сдвига на угол
гармониками в трехфазной системе. Для третьей гармоники такого
сдвига нет, поэтому в трехфазной системе значения K
рации ограничителей определяются путем расчета электрического поля
основания ограничителя.
2.2. ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА
ПРОВОДИМОСТИ ОПН
Измерение тока проводимости реализуется с помощью устройства
LCM, сконструированного на основе микрокомпьютера специально
для измерений тока проводимости ограничителей перенапряжений,
находящихся в рабочем состоянии. LCM присоединяется к постоянно
установленному счетчику импульсов со встроенным трансформатором
тока и состоит из трех основных частей (рис. 24):
• датчика тока, который присоединяется к выводу на счетчике им-
пульсов;
датчика поля, расположенного вблизи основания ограничителя,
•
присоединенного через коаксиальный кабель и адаптер к датчику тока.
Ток, индуцированный в датчике поля, проходит в адаптер, который
рад между основными
любой конфигу-
3
49
содержит измеряющий резистор. Сигнал от датчика поля усиливается
в датчике тока;
• измерителя тока проводимости со встроенным микропроцессором
для определения активной составляющей тока.
Устройство LCM можно использовать тремя различными способами:
• регулярно проводить диагностику ограничителя в качестве пере-
носного прибора;
• отслеживать состояние ограничителя в течение определенных от-
резков времени;
• постоянно измерять ток
проводимости.
LCM полностью защищен от влияния окружающей среды, снабжен
обогревателем, который включается автоматически при снижении
температуры ниже определенного значения. При использовании в качестве переносного прибора он снабжается антенной телескопического
типа, изготовленной из изолирующего материала.
Рис. 24. Принципиальная схема устройства
для измерения тока проводимости
LCM сохраняет в памяти значения активного тока проводимости,
измеряемые каждые десять минут. Сохраняемое значение – это среднее значение из пяти измерений, выполненных в течение 10-минутного
периода. Классификационное значение, соответствующее ожидаемому
либо номинальному активному току проводимости, вводится в начале
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]