Способы защиты от перенапряжений в электрических сетях

Перенапряжение – это ненормальный режим работы в электрических сетях, который заключается в чрезмерном увеличении значения напряжения выше допустимых значений для участка электрической сети, который является опасным для элементов оборудования данного участка электрической сети.

Изоляция оборудования электроустановок рассчитана на нормальную работу при определенных значениях напряжения, в случае наличия перенапряжения, изоляция приходит в негодность, что приводит к повреждению оборудования и представляет опасность для обслуживающего персонала или людей, которые находятся в непосредственной близости к элементам электрических сетей.

Перенапряжения могут быть двух видов – природными (внешними) и коммутационными (внутренними). Природные перенапряжения – это явление атмосферного электричества. Коммутационные перенапряжения возникают непосредственно в электрических сетях, причинами их проявления могут быть большие перепады нагрузки на линиях электропередач, феррорезонансные явления, послеаварийные режимы работы электрических сетей.

Способы защиты от перенапряжений

В электроустановках для защиты оборудования от возможных перенапряжений применяют такое защитное оборудование, как разрядники и ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) .

Основным конструктивным элементом данного защитного оборудования является элемент с нелинейными характеристиками. Характерная особенность данных элементов заключается в том, что они изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного к ним значения напряжения. Рассмотрим вкратце принцип работы данных защитных элементов.

Разрядник или ограничитель перенапряжения присоединяется к шине рабочего напряжения и к контуру заземления электроустановки. В нормальном режиме, то есть, когда сетевое напряжение находится в пределах допустимых значений, разрядник (ОПН) имеет очень большое сопротивление, и он не проводит напряжение.

В случае возникновения перенапряжения на участке электрической сети сопротивление разрядника (ОПН) резко падает, и данный защитный элемент проводит напряжение, способствуя утечке возникшего скачка напряжения в заземляющий контур. То есть на момент перенапряжения разрядник (ОПН) осуществляет электрическое соединение провода с землей.

Разрядники и ОПН устанавливаются для защиты элементов оборудования на территории распределительных устройств электроустановок, а также в начале и в конце линий электропередач напряжением 6 и 10 кВ, которые не оборудованы грозозащитным тросом.

Для защиты от природных (внешних) перенапряжений на металлических и железобетонных конструкциях открытых распределительных устройств устанавливают стержневые молниеотводы . На высоковольтных линиях напряжением 35 кВ и выше применяют грозозащитный трос (тросовый молниеотвод), который располагается в верхней части опор линий электропередач на всей их протяженности, соединяясь с металлическими элементами линейных порталов открытых распределительных устройств подстанций. Молниеотводы притягивают атмосферные заряды на себя, тем самым предупреждая их попадания на токоведущие части электрооборудования электроустановок.

Для обеспечения надежной защиты оборудования электроустановок от возможных перенапряжений, разрядники и ограничители перенапряжений, как и все элементы оборудования, должны проходить периодические ремонты и испытания. Также необходимо в соответствии с установленной периодичностью проверять сопротивление и техническое состояние заземляющих контуров распределительных устройств.

Перенапряжения в низковольтных сетях

Явление перенапряжений также характерно и для низковольтных сетей напряжением 220/380 В. Перенапряжения в низковольтных сетях приводят к выходу из строя не только оборудования данных электрических сетей, но и электроприборов, которые включены в сеть.

Для защиты от перенапряжений в домашней электропроводке используют реле напряжения или стабилизаторы напряжения, источники бесперебойного питания, в которых предусмотрена соответствующая функция. Также существуют модульные устройства защиты от импульсных перенапряжений, предназначенные для установки в домашний распределительный щиток.

В низковольтных распределительных устройствах предприятий, электроустановок, ЛЭП для защиты от перенапряжений применяют специальные ограничители перенапряжений по принципу работы схожие с высоковольтными ОПН.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Защита от повышения напряжения зпн

Изоляция электрических установок постоянно находится под воздействием рабочего напряжения. В процессе эксплуатации возможны повышения напряжения сверх рабочего. Причин появления импульсов повышенного напряжения на электроустановке несколько. Для защиты изоляции электроустановок от перенапряжений необходимо знать природу их возникновения.

После изучения модуля № 5 вы будете знать:

-причины появления перенапряжений на электроустановках;

-способы защиты электроустановок от перенапряжений;

-принцип работы защитных аппаратов.

-выбирать аппараты и устройства для защиты электрических линий, трансформаторных подстанций от перенапряжений;

-выполнять расчеты по определению зоны защиты молниеотводов.

Под перенапряжениями понимаются опасные для изоляции электроустановок повышения напряжения. Перенапряжения, возникающие в электроустановках можно разделить на два класса.

Внутренние или коммутационные перенапряжения, связанные с нормальным режимом работы электроустановки. Коммутационные перенапряжения возникают при коммутациях цепей в нормальных эксплуатационных условиях, а также при ликвидации аварийных режимов и повреждений в электрической системе.

Внешние или атмосферные перенапряжения, связанные с воздействием на электроустановку молнии или наведенных ею волн перенапряжений.

Грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии в электроустановку (перенапряжения прямого попадания), а также при ударе молнии в землю или в предметы и объекты, находящиеся вблизи электроустановки (индуктированные перенапряжения).

Надежная работа электроустановок обеспечивается только, если прочность их изоляции превышает возможные максимальные уровни напряжений на изоляции в длительных рабочих режимах и при перенапряжениях. Прочность изоляции характеризуется величинами пробивного напряжения при воздействии на изоляцию напряжений промышленной частоты и импульсных напряжений.

Уровень внутренних перенапряжений может быть снижен путем надлежащего выбора режима заземления нейтралей, применением в выключателях сопротивлений, шунтирующих контактов. Для сельских электрических сетей напряжением до 110 кВ при правильно выбранной изоляции электроустановок коммутационные перенапряжения не представляют существенной опасности.

От грозовых перенапряжений, а также от маловероятных максимально возможных внутренних перенапряжений все электроустановки должны иметь специальную защиту.

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

Капли воды, достигшие области отрицательных температур, замерзают. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается корочкой льда. Выделяющееся при этом тепло поддерживает температуру внутри капли около 0 °С. Имеющиеся в воде положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою капли и заряжают его положительно, в то время как жидкой сердцевине капли сообщается при этом избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопается, и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а вершина – положительно. Это один из основных процессов электризации грозовых облаков, и поэтому в большинстве случаев (до 90 %) молнии бывают отрицательными, т. е. переносят на землю отрицательный заряд.

В средних широтах землю поражают 30 – 40 % общего числа молний, остальные 60 – 70 % составляют разряды между облаками или между разноименно заряженными частями облаков.

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20 – 24 кВ/см в зависимости от высоты облака над землей), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

На начальной стадии, называемой лидерной , молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем 1,5·10 5 м/с) развивающийся слабо светящийся канал (лидер). Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25—100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Промежуток этот пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5 — 5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку со скоростью от 1,5·10 7 до 1,5·10 8 м/с (0,05 – 0,5 скорости света). Процесс этот, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5 – 10 мкс достигает десятков и даже одной-двух сотен килоампер, а затем за время 25 – 200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течение этого очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20 – 30 тыс. °С.

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемой нами как гром. Во время главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера. Нарастание тока главного разряда (фронт импульса тока) соответствует нейтрализации зарядов в лидерном канале, а спад тока – нейтрализации зарядов в зоне ионизации лидера.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов — так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью, превосходящей скорость лидера первого разряда и имеющей порядок 10 6 м/с, поскольку он развивается по уже образованному каналу. Скорости нарастания тока главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии.

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех отдельных разрядов, однако наблюдались молнии и с несколькими десятками компонентов. Такая многокомпонентная молния может длиться до 1 с. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1 с.

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли). Такие молнии не имеют резко выраженной главной стадии, поскольку их лидеры приходят в соприкосновение с малопроводящим облаком, заряды в котором расположены на частичках льда или воды и отделены друг от друга воздухом. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний.

Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Защитное действие молниеотводов основано на том, что во время лидерной стадии на вершине молниеотвода скапливаются заряды и наибольшие напряженности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотводов. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженности поля на этом пути, что окончательно предопределяет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий, чем молниеотвод, будучи расположен поблизости от него, оказывается заэкранированным молниеотводом и встречным лидером и поэтому практически не может быть поражен молнией.

Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты, т. е. пространством вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молниеприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые – в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем.

Открытые распределительные устройства подстанций защищаются стержневыми молниеотводами, а линии электропередачи — тросовыми.

Зоны защиты молниеотводов определяются по эмпирическим формулам, которые первоначально были получены на основе обширных лабораторных исследований для молниеотводов высотой менее 30 м. Надежность их подтверждена длительным опытом эксплуатации. Они вошли как составная часть в ряд нормативных документов [36]. В последующем установленные зоны защиты были распространены на молниеотводы высотой до 100 м, с поправкой учитывающей снижение эффективности молниеотводов высотой больше 30 м вследствие боковых ударов молнии, поражающих молниеотводы в точках ниже его вершины. В настоящее время нормированы зоны защиты молниеотводов высотой до 150 м [36].

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h £ 150 м представляет собой круговой конус (рис. 5.1) с вершиной на высоте h 0 h x имеет радиус r x. Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h 0 и радиусом конуса на уровне земли r 0 .

Рис. 5.1 — Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

В таблице 5.1 приведены расчетные формулы для молниеотводов высотой до 150 м с расчетной надежностью защиты 0,999.

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Высота молниеотвода h, м	Высота конуса h 0 , м	Радиус конуса r 0 , м
от 0 до 30	0,7h	0,6h
от 30 до 100	[0,7-7,14 × 10 -4 (h-30)]h	[0,6-1,43 × 10 -3 (h-30)]h
от 100 до 150	[0,65-10 -3 (h-100)]h	[0,5-2 × 10 -3 (h-100)]h

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотводавысотой h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h 0 2r 0 (рис.5.2).

Рис. 5.2 — Зона защиты одиночного тросового молниеотвода

В таблице 5.1 приведены расчетные формулы для одиночных тросовых молниеотводов высотой до 150 м с расчетной надежностью защиты 0,999. Здесь и далее под h понимается минимальная высота троса над уровнем земли (с учетом провеса).

Расчет зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Высота молниеотвода h, м	Высота конуса h 0 , м	Радиус конуса r 0 , м
от 0 до 30	0,75h	0,7h
от 30 до 100	[0,75-4,28 × 10 -4 (h-30)]h	[0,7-1,43 × 10 -3 (h-30)]h
от 100 до 150	[0,72-10 -3 (h-100)]h	[0,6-10 -3 (h-100)]h

Стандартные зоны защиты двойного стержневого молниеотводаприведены на рис. 5.3

Рисунок 5.3 — Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины L max . В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного стержневого молниеотвода (высотой h и расстоянием L между молниеотводами) представлена на рис.5.3. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h 0 , r 0 ) стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяются параметрами h 0 и h c , первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй — минимальную высоту зоны по середине между молниеотводами. При расстоянии между молниеотводами L £ L c граница зоны не имеет провеса ( h 0 =h c ). Для расстояний L c £ L ³ L max высота h c определяется по выражению

Входящие в него предельные расстояния L max и L вычисляются по эмпирическим формулам табл.5.3

Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты:

максимальная полуширина зоны r x в горизонтальном сечении на высоте h x :

длина горизонтального сечения I x на высоте h x ³ h c :

ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2r cx на высоте h x £ h c :

Расчет параметров зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Высота молниеотвода h, м	L max , м	L c , м
от 0 до 30	4,25h	2,25h
от 30 до 100	[4,25-3,57 × 10 -3 (h-30)]h	[2,25-0,0107(h-30)]h
от 100 до 150	4,0h	1,5h

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного тросового молниеотвода (высотой h и расстоянием между тросами ) представлена на рис.5.4. Построение внешних областей зон (двух односкатных поверхностей с габаритами h 0 , r 0 ) производится по формулам таблицы 5.2 для одиночных тросовых молниеотводов.

Размеры внутренних областей определяются параметрами h 0 и h c , первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у тросов, а второй — минимальную высоту зоны по середине между тросами. При расстоянии между тросами L £ L c граница зоны не имеет провеса ( h c =h 0 ). Для расстояний L c £ L ³ L max высота h c определяется по выражению (5.1)

Рис.5.4. Зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Входящие в него предельные расстояния L max и L c вычисляются по эмпирическим формулам табл.5.4.

Расчет параметров зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Высота молниеотвода h, м	L max , м	L c , м
от 0 до 30	4,75h	2,25h
от 30 до 100	[4,75-3,57 × 10 -3 (h-30)]h	[2,25-3,57 × 10 -3 (h-30)]h
от 100 до 150	[4,5-5 × 10 -3 (h-100)]h	[2,0-5 × 10 -3 (h-100)]h

Длина горизонтального сечения зоны защиты на высоте h x определяется по формулам:

I x =L/2, при h c ³ h x ;	(5.5)
, при 0 c x .

Для расширения защищаемого объема на зону двойного тросового молниеотвода может быть наложена зона защиты опор, несущих тросы, которая строится как зона двойного стержневого молниеотвода, если расстояние L между опорами меньше L max , вычисленного по формулам табл.5.4. В противном случае опоры должны рассматриваться как одиночные стержневые молниеотводы.

Принцип действия защитного аппарата состоит в том, что он предотвращает появление на электроустановке импульсов перенапряжений, опасных для ее изоляции, и не препятствует работе электроустановки при рабочем напряжении.

Простейшим защитным устройством является искровой промежуток, включенный параллельно изоляционной конструкции. Для предупреждения перекрытия или пробоя изоляции вольт-секундная характеристика защитного искрового промежутка ПЗ с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции (рис. 5.5). При выполнении этого требования появление опасных для изоляции электроустановок перенапряжений невозможно, так как при набегании импульса напряжения Uпад происходит пробой ПЗ с последующим резким падением (“срезом”) напряжения. Вслед за импульсным током через защитный промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, — сопровождающий ток. Если электроустановка работает в сети с заземленной нейтралью или если пробой ПЗ произошел в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой переходит в устойчивое короткое замыкание, которое вызывает аварийное отключение эле ктроустановки. Чтобы этого избежать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока.

Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название защитных разрядников.

Имеются два различных способа гашения дуги: в трубчатых разрядниках гашение происходит в результате интенсивного продольного дутья, в вентильных разрядниках — благодаря снижению значения сопровождающего тока с помощью сопротивления, включенного последовательно с искровым промежутком.

Рис. 5.5 Принцип действия защитного устройства:
a – схема включения защитного промежутка (ПЗ); б – согласование вольт-секундных характеристик защищаемой изоляции (1) и ПЗ (2)

В ограничителях перенапряжений (ОПН — ограничитель перенапряжений нелинейный) в силу очень большой нелинейности характеристики резистора сопровождающий ток при рабочем напряжении имеет значение долей миллиампера, что безопасно для защитного аппарата и не создает заметных потерь энергии. Поэтому ОПН выполняются без искровых промежутков.

Конструктивно защитные промежутки выполняются в виде стержневых электродов, создающих резконеоднородное поле. Для таких электродов характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах, что не всегда позволяет осуществлять координацию вольт-секундных характеристик изоляции и защитных промежутков во всем диапазоне предразрядных времен. Как видно из рис. 5.5 при малых временах изоляция может оказаться незащищенной.

Переход импульсного тока при пробое ПЗ в устойчивую дугу может сопровождаться аварийным отключением электроустановки или участка электрической сети. Для повышения надежности электроснабжения желательно ПЗ устанавливать лишь на тех участках сети, которые оборудованы устройствами автоматического повторного включения (АПВ).

Для уменьшения числа срабатываний и, следовательно, числа отключений целесообразно выбирать длину защитных промежутков наибольшей допустимой по условиям защиты изоляции.

В установках до 35 кВ защитные промежутки имеют небольшую длину. Во избежание случайного их замыкания (например, птицами) в заземляющих спусках защитных промежутков создаются дополнительные искровые промежутки. Электроды защитных промежутков в установках 6 — 10 кВ целесообразно выполнять в виде рогов, так как под действием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха дуга растягивается и может погаснуть. Самопогасание дуги между электродами в виде рогов происходит при токе в дуге, не превышающем 300 А.

Простота и дешевизна стержневых промежутков определяют их широкое применение, особенно в сетях низших классов напряжения. На линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений принимаются специальные меры по ограничению внутренних перенапряжений, поэтому стержневые промежутки могут на них применяться в качестве координирующих, т е. для ограничения максимального значения набегающего на подстанцию импульса напряжения и тока через вентильные разрядники при грозовых перенапряжениях

Принципиальная схема устройства и включения трубчатого разрядника (РТ) показана на рис. 5.6. Основу разрядника составляет трубка из газогенерирующего материала 1. Один конец трубки заглушен металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток l 1 , между стержневым и кольцевым электродами называется внутренним, или дугогасящим, промежутком. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутком l 2 , иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки. Защитное действие трубчатого разрядника характеризуется его вольт-секундной характеристикой и сопротивлением заземления. Вольт-секундная характеристика определяет напряжение срабатывания разрядника, а сопротивление заземления — остающееся на разряднике после его срабатывания импульсное напряжение. Вольт-секундная характеристика зависит от длины внешнего и вн утреннего промежутков разрядника и имеет вид, характерный для промежутков с резконеоднородным полем Длина внешнего искрового промежутка выбирается по условиям защиты изоляции и может регулироваться в определенных пределах. Длина внутреннего искрового промежутка устанавливается в соответствии с дугогасящими свойствами разрядника и регулированию не подлежит.

Рис.5.6 Устройство трубчатого разрядника

При воздействии на РТ импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности много больше длины внутреннего промежутка) и происходит ограничение импульса напряжения. По каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом раскаленных газов и звуком, напоминающим выстрел.

Для успешного гашения дуги сопровождающего тока необходимо достаточно интенсивное генерирование газа в трубке, которое зависит от проходящего тока. Поэтому имеется нижний предел токов, которые надежно отключаются трубчатым разрядником. При больших токах слишком интенсивное газообразование может привести к чрезмерному повышению давления и разрыву трубки или срыву наконечников. Поэтому для трубчатых разрядников устанавливается также верхний предел отключаемых токов, при котором гашение дуги еще не может сопровождаться механическим повреждением разрядника. Значения верхнего и нижнего пределов отключаемых токов зависят от размеров внутреннего канала разрядника. Уменьшение длины внутреннего промежутка, а также увеличение диаметра канала разрядника приводят к смещению обоих пределов отключаемых токов в сторону больших значений. Наоборот, при увеличении длины внутреннего промежутка или уменьшении диаметра канала оба предела отключаемых токов смещаются в сторону меньших значений.

При установке РТ в сети необходимо проверить соответствие токов замыкания в точке установки диапазону отключаемых разрядником токов. Наибольший возможный полный ток однофазного или трехфазного КЗ в сетях 110 кВ и выше должен быть ниже верхнего предела токов, отключаемых трубчатым разрядником, а наименьший установившийся ток замыкания — выше нижнего предела.

Трубчатые разрядники типа РТФ имеют фибробакелитовую трубку, разрядники типа РТВ или РТВУ – трубки из винипласта. Для повышения механической прочности фибровая трубка обматывается сверху бакелизированной бумагой и покрывается влагостойким лаком. Винипласт негигроскопичен и сохраняет свои изолирующие свойства при работе на открытом воздухе. Благодаря более высокой механической прочности винипласта по отношению к ударным нагрузкам разрядники типа РТВ имеют более высокий верхний предел отключаемых токов

В маркировке трубчатых разрядников указываются номинальное напряжение и пределы отключаемых токов. Например, марка РТФ 110/0,8 – 5 означает: разрядник трубчатый фибробакелитовый на напряжение 110 кВ с пределами отключаемых токов 0,8 – 5 кА (действующее значение). В результате многократной работы разрядника внутренний канал дугогасящей трубки разрабатывается. При возрастании внутреннего диаметра трубки на 20 – 25 % трубчатый разрядник перестает соответствовать заводской маркировке по отключаемым токам и подлежит замене или перемаркировке.

Поскольку работа трубчатого разрядника сопровождается выхлопом сильно ионизированных газов, расположение их на опоре должно быть таким, чтобы выхлопные газы не вызывали междуфазных перекрытий или перекрытий на землю. Для этого в зону выхлопа не должны попадать токоведущие части других фаз, заземленные конструкции, а также зоны выхлопов разрядников, защищающих другие фазы

Крутая вольт-секундная характеристика и наличие зоны выхлопа не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты подстанционного оборудования. Основное их применение – это защита линейных подходов к подстанциям, электрооборудования маломощных подстанций 6 – 10 кВ и участков пересечения линий различного номинального напряжения.

Для защиты изоляции электрооборудования подстанций применяются вентильные разрядники (РВ) и нелинейные ограничители напряжения (ОПН). В соответствии с защитными характеристиками этих аппаратов устанавливаются уровни изоляции трансформаторов и аппаратов подстанций.

Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. 5.7,а). При воздействии на РВ импульса грозового перенапряжения пробивается искровой промежуток (ИП) и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении резистора. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике это падение напряжения мало меняется при существенном изменении изменении тока .(рис.5.7,б)

Рис.5.7 Схема включения вентильного разрядника (а) и типовая вольт-амперная характеристика вентильного разрядника (б)

Одной из основных характеристик РВ является остающееся напряжение U OCT , представляющее собой падение напряжения на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (5 – 14 кА в зависимости от типа РВ), который называется током координации.

Вслед за импульсным током через РВ проходит сопровождающий ток промышленной частоты. Сопротивление нелинейного резистора при рабочем напряжении резко возрастает, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе его через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет.

Наибольшее напряжение промышленной частоты на РВ, при котором надежно обрывается сопровождающий ток, называется напряжением гашения U гаш , а соответствующий сопровождающий ток – током гашения I гаш .

Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC. На поверхности карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiO 2 , сопротивление которого нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях поля (при небольших напряжениях на резисторе) удельное сопротивление слоя составляет 10 4 – 10 6 Ом·м, и практически все напряжение ложится на него, так как удельное сопротивление самого карборунда значительно меньше – около 10 -2 Ом·м. При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает и значение сопротивления нелинейного резистора начинает определяться собственно карборундом. Свойство материала резко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых при пониженных, называют “вентильным”. Отсюда и название аппарата: вентильный разрядник.

Нелинейные резисторы РВ выполняются в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В зависимости от технологии изготовления получают диски из вилита или тервита. В качестве связки используется жидкое стекло. Вилитовые диски спекаются при сравнительно низкой температуре (около 300°С). Тервитовые диски при изготовлении обжигаются при температуре выше 1000°С, и часть запорных слоев из окиси кремния разрушается. При этом возрастает пропускная способность (до 1500 А вместо 300 А для вилита), однако уменьшается степень нелинейности материала.

ождение больших импульсных токов вызывает остаточные явления в материале нелинейного резистора, поэтому РВ имеет определенную пропускную способность, характеризующуюся гарантированным числом импульсов тока с заданными параметрами, которое может выдержать резистор. Энергия импульса тока зависит от его амплитуды и длительности. Для грозовых напряжений характерны очень большие токи малой длительности. При внутренних перенапряжениях, наоборот, наблюдаются большие длительности (2 мс и более) и относительно небольшие амплитуды тока. Поэтому пропускную способность разрядников принято характеризовать максимальным значением импульса тока 20/40 мкс и током прямоугольной формы длительностью 2 мс (в некоторых случаях максимальным значением импульса тока 3/8 мс). Эти воздействия разрядники должны выдерживать не менее 20 раз.

На искровые промежутки РВ возлагается подключение нелинейного резистора при перенапряжениях и его отключение при прохождении сопровождающего тока.

Простейший единичный промежуток состоит из двух латунных электродов, разделенных миканитовой шайбой. Электрическое поле между электродами близко к однородному. В воздушных прослойках между поверхностью электродов и миканитом в силу разности диэлектрических проницаемостей воздуха и миканита возникает ионизация, в результате чего межэлектродное пространство снабжается начальными электронами. Пробой промежутка происходит при коэффициенте импульса, близком к единице.

Гашение сопровождающего тока многократным ИП основано на нестабильности горения короткой дуги в промежутке с холодными электродами. После погасания дуги происходит относительно медленное восстановление электрической прочности.

Разрядники разделены на четыре группы. Наилучшими защитными свойствами обладают РВ группы I, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения. Далее следуют разрядники II, III и IV групп.

К IV группе относятся разрядники серий РВП (под-станционный) и РВО (облегченный, для защиты сельских сетей) на напряжения 6 – 10 кВ. Нелинейные резисторы этих разрядников комплектуются из вилитовых дисков, искровой промежуток набирается из элементов. Широко распространенные разрядники серий РВС (станционный) относятся к III группе. Они применяются для защиты электрооборудования напряжением 15— 220 кВ. Разрядники этой серии на высшие классы напряжения комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения. Стандартный элемент, например, на 35 кВ (РВС-35) содержит 32 единичных искровых промежутка и 11 вилитовых дисков диаметром 100мм и высотой 60 мм. Контакт между дисками осуществляется посредством металлизации их поверхностей. Комплект искровых промежутков и вилитовых дисков помещается в герметизированный фарфоровый чехол. Герметизация необходима для предохранения вилита от действия влаги и для обеспечения стабильности разрядных характеристик искровых промежутков.

Магнитно-вентильные разрядники на напряжения 6 – 35 кВ составляют серию РВМ (магнитный), а на напряжения 110 – 500 кВ – серию РВМГ (магнитный, грозовой). Они относятся ко II группе. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением и вилитовые диски диаметром 150 мм, что увеличило их пропускную способность.

К I группе относятся разрядники серий РВТ (токоогра-ничивающий) и РВРД (с растягивающейся дугой). Разрядники этих серий комплектуются из тервитовых дисков и токоограничивающих искровых промежутков. Защитное отношение этих разрядников существенно ниже, чем разрядников серии РВМ. Разрядники на 6 – 10 кВ, предназначенные для защиты вращающихся машин, имеют остающееся напряжение при токе 3 кА и импульсное пробивное напряжение не выше испытательных напряжений изоляции машин. Высокая пропускная способность тервита позволяет использовать эти разрядники для ограничения внутренних перенапряжений.

Комбинированные вентильные разрядники серии РВМК предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений в системах 330 – 750 кВ.

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью. Снижение защитного отношения РВ достигается ценой значительного усложнения искровых промежутков, которые в разрядниках I группы принимают на себя часть напряжений гашения.

Выпускаемые в нашей стране и за рубежом резисторы на основе окиси цинка обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата – нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН). Преимуществами ОПН являются возможность глубокого ограничения перенапряжений, в том числе междуфазных, малые габариты, позволяющие использовать их в качестве опорных изоляционных колонн, большая пропускная способность.

Уровень ограничения коммутационных перенапряжений с помощью ОПН составляет (1,65-1,8) U ф . Уровень ограничения грозовых перенапряжений составляет (2,2—2,4) U ф в сетях 110 кВ и снижается до 2U ф для линий электропередачи 750 кВ.

Ограничители комплектуются в виде параллельно соединенных колонок из дисков диаметром 28 и высотой 8 мм. Торцы дисков металлизированы и обеспечивают контакт между дисками. В соответствии с пропускной способностью число параллельных колонок резисторов в ОПН варьируется от четырех в ограничителе перенапряжения на 110 кВ до 30 в ограничителе на 750 кВ.

Коэффициент нелинейности резисторов ОПН в области ограничения коммутационных перенапряжений имеет значение 0,03—0,05. При ограничении грозовых перенапряжений, когда токи, протекающие через ОПН, достигают значений нескольких килоампер, коэффициент нелинейности возрастает до 0,07 – 0,1. Такая высокая нелинейность обусловливает прохождение при рабочем напряжении или резонансных перенапряжениях через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера на одну параллельную колонку. Это позволяет исключить искровой промежуток и подключать резистор ОПН непосредственно к сети.

Применительно к ОПН отсутствует понятие напряжения гашения. Однако длительное воздействие резонансных перенапряжений, связанных с прохождением через ОПН больших токов, может нарушить тепловую устойчивость аппарата и привести к аварии. В связи с этим для ОПН установлены допустимые длительности приложения повышенных напряжений, которые должны быть скоординированы с действием релейных защит. Схема включения ОПН приведена на рис.5.8.

Рис. 5.8 Схема включения ОПН для ограничения перенапряжений междуфазных и относительно земли

Основными аппаратами защиты электрооборудования подстанций от набегающих импульсов служат вентильные разрядники и ограничители перенапряжений.

Для того чтобы вентильный разрядник обеспечивал защиту оборудования, импульсный ток через разрядник не должен превышать тока координации. Если он превысит ток координации, то напряжение на разряднике окажется выше нормированного, что может представить опасность для изоляции оборудования. В отдельных случаях при больших токах (десятки килоампер) и многократных воздействиях защитный аппарат может выйти из строя и даже разрушиться.

одстанции ударах в провод ток молнии распределяется обратно пропорционально сопротивлениям заземления опоры и вентильного разрядника, при этом ток через разрядник может превысить допустимые пределы, поэтому прямые удары молнии в провода линии вблизи подстанции необходимо исключить. Для этого участки линии длиной 1 – 3 км, примыкающие к подстанциям, во всех случаях защищаются тросовыми молниеотводами. Такие участки линии получили название защищенных подходов к подстанциям.

На рис. 5.9 показана схема защищенного подхода, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах. Трос подвешивается только в пределах защищенного подхода. Так как на деревянных опорах от тросов к заземлителям прокладываются по стойкам токоотводящие спуски, прочность изоляции опоры относительно земли существенно снижается. В этом случае первая подтросовая опора является местом с ослабленной изоляцией и для того чтобы не ухудшить грозоупорность линии, в начале защищенного подхода на каждой фазе устанавливают трубчатые разрядники РТ1. В конце подхода иногда устанавливают второй комплект трубчатых разрядников РТ2, которые служат для защиты разомкнутого линейного выключателя.

Если линия выполнена на металлических или железобетонных опорах и защищена тросами по всей длине, то трубчатые разрядники на подходе не устанавливаются. Однако на примыкающих к подстанции участках линии особенно тщательно выполняются требования молниезащиты: снижаются сопротивления заземления опор и уменьшаются углы защиты тросов. Целью этих мероприятий является уменьшение вероятностей прорыва молнии через тросовую защиту и обратных перекрытий при ударах в опоры в пределах защищенного подхода к подстанции.

Рис. 5.9. Защищенный подход к подстанции для воздушной линии:
а – на деревянных опорах;
б – на металлических или железобетонных опорах

На подстанциях 110 кВ включительно и на подстанциях 150 – 220 кВ, где установлены трансформаторы с повышенным уровнем изоляции, скоординированным с характеристиками разрядника РВС, место установки вентильных разрядников или ОПН выбирается таким образом, чтобы обеспечить защиту всего оборудования минимальным числом разрядников (по одному комплекту на каждую систему шин). При этом допускается наличие коммутационных аппаратов между разрядниками и трансформаторами, поскольку уровень изоляции трансформаторов выше возможной кратности большинства коммутационных перенапряжений.

Между вентильными разрядниками и трансформаторами 220 кВ с основным уровнем изоляции, а также автотрансформаторами, трансформаторами и шунтирующими реакторами 330 – 750 кВ установка коммутационных аппаратов не допускается, так как в этих случаях на разрядники возлагается задача ограничения коммутационных перенапряжений.

Оборудование подстанций 330 — 500 кВ рекомендуется защищать не менее чем двумя комплектами вентильных разрядников, а 750 – 1150 кВ – тремя комплектами для уменьшения тока через каждый вентильный разрядник и остающегося напряжения на разряднике. Это условие почти всегда выполняется в связи с необходимостью установки разрядников для защиты каждого трансформатора и реактора по условию отсутствия коммутационных аппаратов между разрядником и защищаемым объектом.

В линиях СВН в отличие от линий номинального напряжения до 220 кВ включительно применяют защиту от коммутационных перенапряжений с помощью комбинированных вентильных разрядников РВМК или ограничителей перенапряжений ОПН. Разрядники РВМК и ОПН защищают конец линии вместе с компенсирующими реакторами и устанавливаются обычно в ячейке реактора. Если расчеты показывают, что защита от внутренних перенапряжений не требуется, то разрядники РВМК или ОПН могут быть заменены разрядниками для защиты от грозовых перенапряжений.

При возникновении грозовых импульсов на вводах трансформатора с изолированной или разземленной (с целью уменьшения токов короткого замыкания) нейтралью в его обмотках развиваются колебания, которые могут привести к значительному повышению напряжения на нейтрали. Для защиты изоляции нейтрали от таких перенапряжений в нейтраль может быть включен вентильный разрядник с номинальным напряжением на класс ниже, чем класс трансформатора.

Если аппараты находятся от разрядника на небольшом расстоянии ( Рис. 5.10 Упрощенные схемы защиты комплектных подстанций, присоединенных с помощью отпаек к транзитным линиям без тросов:
а – расстояние от трансформатора до линии 5 – 10 м; б – то же 50 – 200 м; в – то же более 200 м

Еще более просто выполняется защита от набегающих волн в распределительных устройствах 6 – 10 кВ. Воздушные линии такого номинального напряжения реже поражаются молнией, так как имеют небольшую высоту и часто проходят по застроенной местности, что обеспечивает их хорошее экранирование от поражений молнией. Эффективной мерой в этом случае может служить вынос дополнительного комплекта разрядников на линию (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема защиты подстанций 6 – 10 кВ

Подключение дополнительных разрядников на подстанции рядом с основными может оказаться недостаточно эффективным, поскольку даже небольшое различие в их вольт-амперных характеристиках приводит к резко неравномерному распределению токов между разрядниками. Чтобы дополнительные разрядники работали эффективно, их подключают обычно за один – два пролета до подстанции. Индуктивность этого участка линии создает подъем напряжения на первом по ходу волны разряднике, что повышает надежность его срабатывания. При выборе расстояния между разрядниками следует учитывать, что чрезмерно большое расстояние увеличивает опасность разряда молнии в пролеты линии между разрядниками, а при небольших расстояниях возрастает опасность отказа срабатывания разрядника, вынесенного на линию. Оптимальные условия расстановки соответствуют удалению разрядников друг от друга на расстояние 150 – 300 м.

Дайте классификацию перенапряжений.
Принцип действия молниеотводов.
Нарисуйте зоны защиты молниеотводов.
Какие молниеотводы применяются для защиты от прямых ударов молнии воздушных линий электропередачи?
Поясните принцип действия искрового промежутка.
За счет чего гасится дуга в трубчатых разрядниках?
Поясните принцип действия вентильных разрядников.
Каково основное отличие вентильных разрядников и нелинейных ограничителей напряжения?
Как осуществляется защита от перенапряжений электрооборудования подстанций?
Что такое “защищенный подход”?

Источник