4. Защита от грозовых и коммутационных перенапряжений с помощью опн.

4.1. Общие положения.

В настоящее время основным защитным аппаратом от грозовых и коммутационных перенапряжений является нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).

Отсутствие искровых промежутков и высокая нелинейность варисторов ОПН приводит к тому, что ОПН ограничивает все виды перенапряжений от которых разрядник отстроен высоким пробивным напряжением. Поэтому ОПН должен надежно работать как при рабочем напряжении, так и при различного вида повышений напряжений. Отсюда следует, что важнейшими характеристиками ОПН, которые обеспечивают его надежную работу в эксплуатации являются следующие:

• наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, которое недолжно быть ниже наибольшего рабочего напряжения сети,

• характеристика «напряжение-время», т.е. характеристика, нормирующая допустимые повышения напряжения и их длительность,

• энергоемкость, т.е. нормируемая энергия, которую ОПН способен рассеить в любых эксплуатационных режимах без нарушения его термической устойчивости.

Как основной защитный аппарат, ОПН должен ограничить грозовые и коммутационные перенапряжения при нормируемых токах. Защитный уровень грозовых перенапряжений соответствует напряжению на ОПН при номинальном разрядном токе (напряжение на импульсе тока 8/20 мкс). Для ОПН класса 110-220 кВ амплитуда номинального разрядного тока составляет 10 кА, для 330-500 кВ амплитуда номинального разрядного тока составляет 20 кА.

Защитный уровень ОПН при коммутационном перенапряжении нормируется при токе 30/60 мкс с амплитудой 500 А для ОПН класса 110-220 кВ и 1000 А для ОПН классов 330-500 кВ. Защитный уровень при грозовых и коммутационных перенапряжениях должен быть на 15-20% ниже испытательных напряжений защищаемого оборудования.

В настоящее время на энергетическом рынке России имеется большой выбор ограничителей перенапряжений как отечественного, так и зарубежного производства. На один класс напряжения имеется несколько вариантов типов ограничителей с различными значениями наибольшего рабочего напряжения, защитными характеристиками, пропускной способностью и т.п. Это позволяет подобрать наиболее оптимальные параметры ограничителя в зависимости от схемы сети и ее параметров.

4.2. Место установки ОПН.

Защита электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений должна соответствовать рекомендациям гл.4.2. ПУЭ.

4.2.1. Места установки ОПН определяются функциональным назначением соответствующего ограничителя:

• в цепи трансформатора, автотрансформатора или шунтирующего реактора – для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений при их включении или отключении;

• на линии за линейным выключателем – для защиты электрооборудования, подключаемого к ВЛ за линейным выключателем, от коммутационных перенапряжений и набегающих с ВЛ на РУ волн грозовых перенапряжений.

4.3. Выбор основных параметров ОПН

К основным параметрам ОПН относятся:

• наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (U_нр),

• номинальное напряжение (U_н),

• номинальный разрядный ток (I_н)

• защитный уровень при грозовых и коммутационных перенапряжениях,

• характеристика «напряжение-время», т.е. характеристика, нормирующая допустимые повышения напряжения и их длительность,

• пропускная способность, энергоемкость, т.е. нормируемая энергия, которую ОПН способен рассеить в любых эксплуатационных режимах без нарушения его термической устойчивости.

4.3.1. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ОПН должно быть не ниже наибольшего рабочего фазного напряжения сети нормируемого ГОСТ 721.

Для повышения надежности работы ОПН U_нр ограничителя выбирают не менее, чем на 2-5% выше наибольшего уровня напряжения сети в точке установки ОПН.

При устойчивом существовании в нормальных режимах работы в месте установки ОПН высших гармоник U_нр выбирают на 10% выше наибольшего рабочего напряжения сети.

4.3.2. Номинальное напряжение ОПН принимают равным 1,25 U_нр.

4.3.3. Номинальный разрядный ток (I_н) в соответствии с рекомендациями МЭК 60099-5 сдует принимать 10 и 20 кА соответственно для классов напряжения 110-220 кВ и 330 кВ и выше.

4.3.4. Защитный уровень ОПН при грозовых и коммутационных перенапряжениях с учетом удаленности ОПН от защищаемого оборудования должен быть не менее чем на 15-20% ниже испытательных напряжений защищаемого электрооборудования.

4.3.5. Расчетная величина повышения напряжения в месте установки ОПН в нормальных и аварийных режимах с учетом работы релейной защиты и автоматики следует сопоставить с характеристикой «напряжение-время». Если расчетные повышения напряжения превышают нормированные для ОПН, то следует выбрать ОПН с более высоким значением наибольшего рабочего длительно допустимого напряжения.

Расчетными режимами для определения повышений напряжений являются следующие:

• повышение напряжения в режиме одностороннего включения ВЛ.

• повышение напряжения при одно- и двухфазных КЗ,

• повышения напряжения при включении блока линия-трансформатор,

• повышения напряжения при отключении системы шин с электромагнитными трансформаторами напряжения типа НКФ выключателями, имеющими шунтирующие емкости,

• повышение напряжения при неполнофазных коммутациях,

• повышения напряжения на отключенной в цикле ОАПВ фазе после погасания дуги подпитки.

4.4. Дополнительные требования к выбору параметров ОПН.

4.4.1. Требования к климатическим условиям эксплуатации. Ограничители наружной установки должны работать в районах с умеренным или (и) холодным климатом в условиях, предусмотренных для климатического исполнения У или (и) ХЛ с указанием категории размещения по ГОСТ 15150 и должны удовлетворять в части воздействия климатических факторов требованиям ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543.1.

Ограничители должны быть предназначены для эксплуатации на высоте не более 1000 м над уровнем моря.

Ограничители должны допускать смену температур в диапазоне, указанном в ГОСТ 15150 для соответствующего исполнения аппарата, т.е. от -60^оС до +45^оС.

4.4.2. Изоляция ограничителей, изготовленная с применением органических (полимерных) материалов, должна быть трекинг-эрозионностойкой и стойкой к проникновению влаги.

Длина пути утечки внешней изоляции ограничителя должна обеспечивать работу в условиях соответствующих степени загрязнения II-IV - не ниже требований ГОСТ 9920.

4.4.3. Уровень частичных разрядов при напряжении 1,05U_нр должен быть не выше 10 пКл.

4.4.4. Ограничители наружной установки и опорного исполнения должны выдерживать механическую нагрузку от тяжения проводов в горизонтальном направлении (табл.4.4.1.) и ветровых и гололедно-ветровых нагрузок для следующих случаев:

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

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

Значения механических нагрузок от тяжения проводов в горизонтальном

направлении.

Таблица 4.4.1.

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ	Механическая нагрузка от тяжения проводов в горизонтальном направлении, Н, не менее
73-156	500
210-333	1000
455-475	1500

4.4.5. Ограничители должны быть взрывобезопасны. Изготовитель должен указать максимальное действующее значение установившегося большого и малого (800А) тока КЗ, который ограничитель должен выдерживать без опасного взрывного разрушения. Токи КЗ в месте установки ОПН должны быть не более нормированных токов предохранительного устройства для ОПН.

4.4.6. Ограничители с полимерной внешней изоляции должны быть пожаробезопасны.

4.5. Выбор параметров ОПН, устанавливаемого взамен вентильного

разрядника.

Ниже приведены рекомендации, которые позволяют выбрать основные параметры нелинейных ограничителей перенапряжений, устанавливаемых взамен вентильных разрядников на то же самое место, где ранее были установлены вентильные разрядники. В этом случае сохраняется расстояние между защищаемым объектом и защитным аппаратом, которое нормируется ПУЭ. Поскольку ограничитель имеет защитные характеристики ниже, чем вентильные разрядники, то такой подход обеспечивает более надежную защиту объекта.

4.5.1. Испытательное напряжение современного оборудования координируется с остающимся напряжением вентильного разрядника РВМГ при токе 5 кА. Поэтому, устанавливаемый вместо вентильного разрядника ОПН должен иметь остающееся напряжение при грозовом импульсе тока с амплитудой 5 кА не выше, чем у вентильного разрядника при том же токе.

4.5.2. Необходимо сопоставить возможные в эксплуатации повышения напряжения с допустимой для ограничителя такого напряжения.

В зависимости от места установки ограничителя и схемы подстанции возможны различные повышения напряжения как по величине, так и по длительности. Ограничители при замене вентильных разрядников могут быть установлены либо в ячейке трансформатора до коммутационного аппарата, либо на шинах ПС.

При установке ограничителя в ячейке трансформатора в нормальных, ремонтных или аварийных режимах возможны:

• временные повышения напряжения (U_ВР) в случае коммутации блока линия трансформатор,

• повышения напряжения на здоровых фазах при однофазном К.З. на землю.

Коммутация блока линия-трансформатор возможна при схеме ПС “мостик” или “четырехугольник”. При двойной системе шин с большим числом отходящих линий коммутация блока линия-трансформатор практически невозможна.

Если схема ПС допускает возможность коммутации блока линия- трансформатор, то необходимо провести расчеты по определению величины (U_ВР) и длительности (t_ВР) временных перенапряжений и сопоставить их с допустимыми для ограничителя величинами. Если при длительности временных перенапряжений t_ВР величина допустимого повышения напряжения U_t оказывается ниже величины расчетных временных перенапряжений, то следует выбрать ограничитель с более высоким наибольшим рабочим длительно допустимым напряжением (U_Н.Р) в U_ВР/U_t раз.

Повышение напряжения на здоровых фазах при однофазных К.З. и время ликвидации его релейной защитой также должно быть сопоставлено с характеристикой напряжение-время ОПН. Если время отключения К.З. релейной защитой превышает время, допустимое для ОПН для повышения напряжения на здоровых фазах в этом режиме, то необходимо выбрать ограничитель с большим значением U_Н.Р.

4.5.3. Если на ПС используются как вентильные разрядники, так и ОПН, то ОПН подвергаются большому числу токовых грозовых воздействий, чем вентильные разрядники, поскольку ОПН имеет более низкий защитный уровень, чем вентильный разрядник, и не имеет искрового промежутка. Однако ОПН имеют большой номинальный разрядный ток и пропускную способность, чем РВ

Неравномерность в распределении токов между разноименными защитными аппаратами на ПС определяется расстояниями защитного аппарата до ВЛ, по которой приходит грозовая волна, а также от расстояния между защитными аппаратами.

Неравномерность в распределении токов между защитными аппаратами 110-220 кВ проявляется при расстояниях по ошиновке менее 25 м, что ниже реальных и нормированных ПУЭ расстояний для РВ. Поэтому в РУ 110-500 кВ возможна защита от перенапряжений различными типами защитных аппаратов (РВ и ОПН) без снижения надежности работы, как самого защитного аппарата, так и защищаемого оборудования

4.6. Основные рекомендуемые параметры ОПН.

В табл.4.6.1 приведены основные параметры ОПН, на которые необходимо ориентироваться при замене вентильных разрядников на ОПН в РУ 110-750 кВ.

Таблица 4.6.1

Класс напряжения, кВ	110	220	330	500	750
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, кВ	73, 78, 83, 88	100, 105,110	210, 220, 230	303,313, 323, 333	455,465475
Номинальный разрядный ток, кА	10	10	10, 20	20	20
Напряжение на импульсе тока 8/20 мкс с амплитудой 5 кА, кВ, не более	265	515	725	1070	-
Пропускная способность на прямоугольном импульсе тока длительностью 2000 мкс, А, не менее	500	500	700	1200	1700