На ОРУ-110 кВ от волн перенапряжений приходящих с линий осуществляется вентильными разрядниками типа РВС-110 кВ.

В настоящее время в электрических системах для защиты электрооборудования от перенапряжений всеобщее распространение получили ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН).

Хотя в этих целях по-прежнему используются и вентильные разрядники, однако, в новых проектных разработках применяются только ОПН, а при реконструкции действующих электроустановках РВ заменяют на ОПН.

Вентильные разрядники комплектуются нелинейными резисторами (варисторами) на основе карбида кремния (SiC) и искровыми промежутками, которые подключают нелинейный резистор между фазным проводом и землей только на короткое время для ограничения грозовых, а в установках сверхвысокого напряжения и коммутационных перенапряжений. Вследствие относительно невысокой нелинейности их варисторов РВ не позволяют обеспечить достаточное ограничение перенапряжений. Более глубокое их снижение требует уменьшение сопротивления нелинейного резистора, что приводит в вентильных разрядниках к существенному увеличению сопровождающих токов. Искровые промежутки даже достаточно сложной конструкции не в состоянии погасить большие сопровождающие токи. Включение варистора под рабочее напряжение без искровых промежутков оказывается невозможным, вследствие, сравнительно большого тока протекающего по варистору постоянно, а также из-за низкой термической устойчивости. На замену РВ пришли ОПН – защитные аппараты без искровых промежутков с высоконелинейными варисторами из металлооксидной керамики, постоянно подключенными между фазным проводом и землей. В отличие от РВ ОПН могут ограничивать и грозовые и коммутационные перенапряжения в электроустановках любых классов напряжений. Отметим также, что на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) происходит замена РВ на ОПН. ОПН устанавливается вместо РВ на опорах ВЛ в местах с ослабленной изоляцией, в начале и конце защищенного подхода перед подстанцией на опорах вокруг пересечений ВЛ, на длинных переходах ВЛ и т.д. На первый взгляд применение ОПН представляется простым и эффективным решением задачи по ограничению перенапряжений. Исключение из ограничителя коммутирующих искровых промежутков повышает надежность этого защитного аппарата. Ограничение коммутационных перенапряжений в ЭУ U = 220 кВ и ниже позволяют существенно облегчить изоляцию либо повысить надежность изоляций таких ЭУ, которая в обычном исполнении рассчитана на воздействие коммутационных перенапряжений, не ограниченных защитными промежутками.

Однако, постоянное нахождение варистора ОПН под напряжением ставит проблему обеспечения тепловой устойчивости ОПН и при длительных рабочих напряжениях, а при ограниченных по времени повышениях напряжения в рабочих режимах электроустановки, и при установившихся (квазистационарных) перенапряжениях. При нарушениях тепловой устойчивости варистора возможны, и как показывает аварийная статистика, происходят взрывы и разрушения.

Отсюда возникает комплексная задача, как выбрать ОПН, чтобы он имел достаточную энергоемкость и надежно работал при длительных напряжениях и при временных повышениях, а также обеспечивал требуемое ограничение грозовых и коммутационных перенапряжений.

Сравнение РВ и ОПН

Принцип действия и основные характеристики Ограничителей Перенапряжений. В середине 70-х годов в СССР и Японии были созданы опытные образцы защитных аппаратов на основе варисторов из оксидно-цинковой керамики. Коэффициент нелинейности ВАХ для таких варисторов составляет α≈0,02 для широкой области изменения тока, что на порядок меньше а для варисторов из карбида кремния.

Использование оксидно-цинковых варисторов позволило разработать защитные аппараты без искровых промежутков: при рабочем напряжении токи через варисторы измеряются миллиамперами, а при перенапряжениях достигают сотен и тысяч ампер. Такие аппараты в СССР получили название «нелинейных ограничителей перенапряжений» - ОПН, за рубежом их называют «металлооксидными ограничителями», присваивая им различные фирменные названия и обозначения.

Высокая нелинейность ВАХ и большая удельная энергоемкость оксидно-цинковых варисторов позволяют существенно улучшить как защитные, так и массогабаритные характеристики ОПН по сравнению с разрядниками. Кроме того, использование ограничителей позволяет устранить существенные недостатки, свойственные разрядникам:

нестабильность защитных характеристик, обусловленную разбросом напряжения срабатывания искровых промежутков и его снижением после многократных воздействий импульсов тока;

снижение пробивного напряжения разрядников при увлажнении загрязненной поверхности покрышки, определяющего возможность выхода аппарата из строя в нормальном эксплуатационном режиме;

сложность профилактики (контроля пробивного напряжения);

нестабильность защитных характеристик вследствие существенного влияния температуры на ВАХ карбидокремниевых резисторов и ее деградация от воздействия импульсов тока при ограничении перенапряжений;

поглощение из сети избыточной энергии при протекании сопровождающего тока;

сложность конструкции, подбора параметров элементов и настройки пробивного напряжения искровых промежутков.

После подтверждения эксплуатационной надежности ограничителей ведущие фирмы - производители защитной аппаратуры приступили к свертыванию производства разрядников и их замене ограничителями. Так, в 1983 г. в Японии было полностью прекращено производстве; разрядников, как и в Швеции, Швейцарии, США.

Простота конструкции, компактность, способность работать в различных средах, возможность регулирования характеристик оксидно-цинковых варисторов обеспечили ограничителям широкое использование в современных аппаратах, в том числе в элегазовых распредустройствах. При создании разъединителей ограничители могут использоваться как опорные изоляционные конструкции. В трансформаторах ограничители могут размещаться внутри бака, - что позволяет выравнивать распределение напряжения по витковой изоляции. Малая масса ограничителей при использовании полимерных корпусов позволяет использовать их в виде подвесных и оттягивающих изоляторов.

Ограничитель присоединен к сети в течение всего срока службы, поэтому через его варисторы непрерывно протекает ток. Допустимая плотность активного тока составляет несколько микроампер на 1 см², при этом плотность емкостного тока составляет 10-20 мкА/см². Ограничитель сохраняет работоспособность до тех пор, пока воздействием рабочего напряжения и импульсов перенапряжений активная составляющая тока не превысит критического значения, при котором нарушается тепловое равновесие аппарата.

Рис. 4.3.1 - Конструкция нелинейного ограничителя перенапряжений наружного исполнения в фарфоровом (а) и полимерном (б) корпусах

Поглощение ограничителем энергии из сети препятствует повышению перенапряжения, что обеспечивает защиту изоляции высоковольтного оборудования РУ. Основными конструктивными элементами ограничителя наружного исполнения наряду с одним или несколькими столбами варисторов (рис. 4.3.1) являются: колонки варисторов 7; изолирующий корпус 2 с ребрами, обеспечивающий необходимую электрическую прочность конструкции; фланцы 4 корпуса со смонтированными на них узлами герметичности и взрывобезопасности 3 и наружный тороидальный экран 6 с экранодержателями 5, обеспечивающий выравнивание распределения напряжения по варисторам, ограничение стримерной короны и необходимую электрическую прочность воздушной изоляции. При использовании фарфоровой покрышки в аппарате предусматривается сквозная полость 1, обеспечивающая передачу избыточного давления внутри корпуса при аварийном дуговом перекрытии на клапаны взрывобезопасности и предохраняющая аппарат от взрывного разрушения. В полости корпуса размещены также элементы крепления варисторов и теплопроводящая прослойка 8, передающая избыток теплоты от варисторов на корпус.

В последнее время для изготовления корпусов ограничителей стали использоваться полимерные материалы, например стеклопластик,- для цилиндров 9 с силиконовыми ребристыми покрытиями 10. Использование полимерных корпусов позволяет существенно снизить массу аппаратов, упростить решение вопросов, связанных со взрывобезопасностью, теплоотводом и надежностью работы ограничителей в условиях сильно загрязненной окружающей среды.

В табл. 4.3.1 приведены основные защитные и конструктивные характеристики ОПН, выпускаемых в СССР.

Таблица 4.3.1

Принцип действия и основные характеристики Вентильных Разрядников. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 4.3.2). При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника. Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника U/_ост, т. е. напряжение при определенном токе (5-14 кА для разных U_H0M), который называется током координаци u . Импульсное пробивное напряжение искрового промежутка разрядника и близкое к нему напряжение U_ост должны быть на 20-25% ниже разрядного напряжения изоляции (координационный интервал).

Рис. 4.3.2 - Вольт-амперные характеристики вентильного разрядника и пути уменьшения остающегося напряжения

После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток (так же, как и у трубчатых разрядников) называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет. Наибольшее напряжение промышленной частоты на вентильном разряднике, при котором надежно обрывается проходящий через него сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий ток - током гашения U_гаш. Гашение дуги сопровождающего тока должно осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, так как во время одной и той же грозы могут произойти перекрытие изоляции на одной фазе и срабатывание разрядника в двух других фазах. Таким образом, напряжение гашения должно быть равным напряжению на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю:

U_гаш = k ₃ U _ном , (4.2.1)

где k ₃ - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали (ниже будет показано, что k ₃ = 0,8; 1,1 соответственно для установок с заземленной и изолированной нейтралью); £/_вом - номинальное линейное напряжение.

Эффективность действия разрядника характеризуется так называемыми защитными отношениями:

k= Uпр~/Uгаш;(4.2.2)

kзащ = Uост/1.43 U гаш,(4.2.3)

где U_np - пробивное напряжение искрового промежутка разрядника при 50 Гц.

Основное значение для грозозащитных разрядников имеет снижение k _{3 m} , которое может быть достигнуто двумя путями. Первый путь - получение более пологой вольт-амперной характеристики (рис. 16-7, кривая 2) - уже в достаточной мере использован и в настоящее время не открывает реальных перспектив. Второй путь - увеличение тока гашения за счет улучшения дуго-гасящих свойств промежутка - позволяет снизить вольт-амперную характеристику во всем диапазоне токов (кривая 3).

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способностью, т.е. предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропускная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора. До недавнего времени вследствие недостаточной пропускной способности вентильные разрядники отстраивались от внутренних перенапряжений, т.е. имели пробивное напряжение выше возможной величины внутренних перенапряжений и предназначались только для ограничения кратковременных перенапряжений грозового происхождения. Разработка нелинейных резисторов с более высокой пропускной способностью и применение новых принципов гашения дуги сопровождающего тока ^позволяют в настоящее время возложить на разрядники также и функцию ограничения более длительных внутренних перенапряжений. Это обстоятельство открывает перспективу дальнейшего снижения уровней изоляции электрооборудования и повышения его экономической эффективности.