9 Устройства защиты от перенапряжений

Разрядником называют аппарат, предназначенный для защиты изоляции электроустановок от атмосферных перенапряжений и позволяющий после срабатывания и ликвидации перенапряжения немедленно восстановить нормальную изоляцию сети по отношению к земле. Разрядники ограничивают атмосферные, а в некоторых случаях (типа РВМК) и внутренние перенапряжения.

Разрядники бывают двух типов – трубчатые и вентильные.

Рис. 9.1. Схема, поясняющая принцип действия искрового промежутка

Простейшим разрядником является искровой промежуток (рис. 1). Он состоит из двух электродов, из которых один соединен с токоведущей частью, а второй — с заземлителем. В нормальном рабочем режиме линии воздушный промежуток отделяет один электрод от другого. Если же по линии распространяется волна перенапряжения U(t), то при определенном напряжении Uпp происходит пробой искрового промежутка. Часть волны перенапряжения, успевшая пройти до момента пробоя искрового промежутка и определяемая зависящим от расстояния между электродами временем разряда tразр, доходит

до распределительного устройства. Оставшаяся часть волны уходит в землю через электрическую дугу, возникшую в искровом промежутке. Запаздывание разряда на t_разр — недостаток искрового промежутка. К недостаткам его относится также плохое гашение электрической дуги из-за отсутствия гасителей. Для лучшего гашения дуги приходится увеличивать расстояние между электродами, что приводит к увеличению времени  и части волны U(t), пропускаемой разрядником.

Рис. 9.2. Трубчатый (а) и вилитовый (б) разрядники 1 — стержень; 2 — фибровая трубка; 3, 4 — искровые промежутки; 5 — вилитовые диски; 6 — фарфоровый кожух

Трубчатым разрядником называют аппарат состоящий из соединенных последовательно внешнего (открытого) искрового промежутка (который может быть выполнен в виде рогов) и внутреннего, расположенного внутри трубки. Если поместить искровой промежуток в трубку из органического стекла (плексигласа) или фибры, то при возникновении дуги трубка выделит много газа под действием высокой температуры. Газ создаст дутье через дуговой столб, улучшив условия гашения дуги. Разрядники такой конструкции, называемые трубчатыми (рис. 9.2, а), применяют на линиях электропередачи. Они не избавлены от запаздывания срабатывания. Стержневой электрод разрядника заземляют. Разрядники устанавливают на всех трех фазах. Когда на проводе линии у места установки разрядника возникает перенапряжение достаточной величины, оба последовательно соединенных искровых промежутка пробиваются и через разрядник и его заземление проходит ток грозового разряда, благодаря чему величина напряжения на линии снижается. При одновременном срабатывании разрядников на двух или трех фазах или на одной фазе в сетях с глухозаземленными нейтралями под действием рабочего напряжения возникает короткое замыкание. Ток короткого

замыкания протекает через разрядник; между искровыми промежутками образуется электрическая дуга. Под действием высокой температуры дуги внутри трубки выделяется большое количество газов. Газы вырываются из трубки под давлением 100 – 500 атм, производя активную деионизацию дуги. Дуга погасает; нормальная изоляция сети по отношению к земле восстанавливается.

Время гашения дуги составляет один-два полупериода. За это время релейная защита линии не успевает срабатывать, ее выключатель не отключается, и линия сохраняется в работе. Разрядник после гашения дуги вновь готов к работе. Внешний искровой промежуток П₂ служит для отделения трубки разрядника от провода линии. Без внешнего промежутка напряжение линии, непрерывно воздействуя на трубку разрядника, вызывало бы прохождение по поверхности трубки токов утечки и как следствие обугливание ее, а с течением времени и сгорание трубки.

Отечественные заводы изготовливали трубчатые разрядники на напряжение 10, 35 и 110 кВ. Для создания необходимой механической прочности фибровая трубка сверху покрыта бакелизированной бумагой. Для определения срабатывания разрядника имеется указатель действия, выполненный в виде бронзовой полоски, которая выдувается газами при срабатывании.

Трубчатые разрядники предназначались для установки на воздушных линиях электропередачи 35 – 110 кВ в местах с ослабленной изоляцией, на пересечениях линий, а также на подходах воздушных линий к подстанциям напряжением 10 кВ и выше.

Вентильным разрядником называют аппарат, состоящий из искровых промежутков и переменного, зависящего от напряжения сопротивления.

Вилитовые разрядники (рис. 9.2, б) состоят из рабочего сопротивления и искрового промежутка, включенных последовательно. Искровой промежуток выполняет ту же роль, что и в разрядниках других типов. Назначение рабочего сопротивления – снизить ток, протекающий после разряда, и улучшить условия гашения дуги. Вилитовые разрядники — наиболее усовершенствованные устройства для защиты электрооборудования электростанций и подстанций от возникающих перенапряжений.

Искровой промежуток 4 и рабочее сопротивление, набираемое из вилитовых дисков 5, помещают в фарфоровый кожух 6. В качестве сопротивления используют вилит – материал, состоящий из карборунда и графита в порошкообразном виде. Для связи этих материалов в общую массу применяют растворимое стекло. Вилитовые сопротивления изготовляют в виде прессованных дисков толщиной 20 и диаметром 75 – 100 мм. Характерной особенностью вилита является зависимость его электрического сопротивления (нелинейное сопротивление) от приложенного напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем меньше сопротивление вилита, и наоборот. В результате ток, протекающий через разрядник после разряда под действием рабочего напряжения в линии, уменьшается в несколько раз. При этом искровой промежуток надежней гасит дугу. Разделение искрового промежутка на несколько единичных промежутков улучшает условия гашения дуги в разряднике.

Число единичных искровых промежутков и вилитовых дисков в вилитовом разряднике должно быть тем больше, чем выше номинальное напряжение защищаемого распределительного устройства.

Разрядник высокого напряжения состоит из нескольких вилитовых дисков и последовательно соединенных с ними искровых промежутков. Со стороны искровых промежутков разрядник присоединяют к фазному проводу защищаемой установки; с другой стороны разрядник присоединяют к заземлителю. Разрядники подключаются ко всем трем фазам.

При возникновении перенапряжения достаточной величины, искровые промежутки разрядника пробиваются и через вилитовые диски и заземление устремляется ток; величина перенапряжения снижается. Так как в первый момент пробоя искровых промежутков к вилитовым дискам прикладывается большое напряжение, то сопротивление вилита становится малым, а ток разряда большим, что очень эффективно снижает величину перенапряжения.

При одновременном срабатывании разрядников на нескольких фазах или одной фазе в сетях с глухозаземленными нейтралями через разрядники создается короткое замыкание с протеканием тока короткого замыкания рабочей частоты (сопровождающий ток). Так как после срабатывания разрядника величина перенапряжения снижается, то сопротивление вилита резко увеличивается. Благодаря этому ток короткого замыкания рабочей частоты уменьшается и после первого перехода через нулевое значение прекращается; разрядник вновь оказывается готовым к работе.

Вилитовые разрядники изготовляют на номинальные напряжения установок до 220 кВ включительно. Вилитовые разрядники устанавливают обычно в РУ станций и подстанций, связанных с воздушными линиями электропередачи.

Разрядники вентильные серии РВС от 110 до 220 кВ предназначены для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Изготавливаются для сетей с эффективно заземленной нейтралью.

Кроме указанных выше разрядников существуют еще другие типы устройств:

Магнитовентильный разрядник (РВМГ) - состоит из нескольких последовательных блоков с магнитным искровым промежутком и соответствующего числа вилитовых дисков. Каждый блок магнитных искровых промежутков представляет собой поочередное соединение единичных искровых промежутков и постоянных магнитов, заключенное в фарфоровый цилиндр.

При пробое в единичных искровых промежутках возникает дуга, которая за счет действия магнитного поля, создаваемого кольцевым магнитом, начинает вращаться с большой скоростью, что обеспечивает более быстрое, по сравнению с вентильными разрядниками, дугогашение.

Cтержневые искровые промежутки также известные как «дугозащитные рога» применяются для защиты от пережога защищенных проводов и перевода однофазного КЗ в двухфазное. Для возникновения дуги необходим ток КЗ превышающий 1 кА. Вследствие относительно низкого напряжения (6-10кВ против 20кВ в сетях Финляндии) и высокого сопротивления заземления «дугозащитные рога» в российских сетях не срабатывают.

В настоящее время на ВЛ 6-10 кВ они запрещены «Положением о технической политике» ФСК.

Разрядник длинно-искровой. Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью длинно-искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытии вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.

Существуют различные модификации РДИ, отличающиеся назначением и особенностями ВЛ, на которых они применяются.

РДИ предназначены для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и прямого удара молнии; рассчитаны для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50 °C в течение 30-и лет.

Основное преимущество РДИ: разряд развивается вдоль аппарата по воздуху, а не внутри его. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий и повышает их надежность.

Ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН) – это аппарат защиты электрооборудования от перенапряжений без искровых промежутков. ОПН на сегодняшний день являются наиболее эффективным средством защиты оборудования электрических сетей. Данные аппараты обладают достаточно высокими эксплуатационными свойствами и надежностью.

Рис. 9.3. Внешний вид ОПН 27-220 кВ

Активная часть ОПН состоит из легированного металла, при подаче напряжения он ведет себя как множество последовательно соединенных варисторов. Принцип действия ОПН основан на том, что проводимость варисторов нелинейно зависит от приложенного напряжения. При отсутствии перенапряжений ОПН не пропускает ток, но как только на участке сети возникает перенапряжение, сопротивление ОПН резко снижается, чем и обуславливается эффект защиты от перенапряжения. После окончания действия перенапряжения на выводах ОПН, его сопротивление опять возрастает. Переход из «закрытого» в «открытое» состояние занимает единицы наносекунд (в отличие от разрядников с искровыми промежутками, у которых это время срабатывания может достигать единиц микросекунд). Нелинейные ограничители перенапряжений предназначены для использования в качестве основных средств зашиты электрооборудования станций и сетей среднего и высокого классов напряжения переменного тока промышленной частоты от коммутационных и грозовых перенапряжений. При их разработке были использованы последние технологические достижения и опыт эксплуатации ОПН в отечественной и зарубежной практике. Ограничите

ли рекомендуется применять вместо вентильных разрядников соответствующих классов напряжения при проектировании, эксплуатации, техническом перевооружении и реконструкции электроустановок.

ОПН 6-110 кВ с полимерной изоляцией, по сравнению с вентильными разрядниками, обладают целым рядом преимуществ:

• варисторы, применяемые в ОПН, обладают высокой стабильностью, которая не изменяется в процессе длительной эксплуатации;

• большое быстродействие срабатывания ОПН при коммутационных и грозовых перенапряжениях;

• отличные пиковые характеристики ОПН в широком диапазоне рабочей температуры;

• применение варисторов в одно колонковом исполнении позволяет обеспечить особенно глубокое ограничение напряжений и, соответственно, более высокую надежность работы оборудования и улучшение параметров сети;

• уменьшение габарита и веса ОПН в 10 — 20 раз позволяет установить их непосредственно вблизи защищаемого оборудования;

• высокая механическая прочность и малая масса ОПН позволяет устанавливать их на ВЛ 6-110 кВ без усиления конструкции опор;

• ОПН в полимерном корпусе не требуют специального обслуживания, не повреждаются при транспортировке и хранении;

• малые массо-габариты ОПН позволяют легко выполнять их монтаж при минимальном использовании техники.

Трубчатые разрядники серии РТВ 10 – 110 кВ

Разрядники вентильные РВС 110 – 220 кВ

Ограничители перенапряжений 10-220 кВ

Рис. 9.4. Внешний вид устройств защиты от перенапряжений