Защита контактной сети и тяговых подстанций от перенапряжений

Для защиты линий и оборудования подстанций от перенапряжений используют следующие устройства:

· искровые промежутки, разрядники и ОПН для защиты отдельных точек на линии;

· тросы и заземления опор на линиях;

· роговые разрядники, трубчатые разрядники на контактной сети;

· молниеотводы;

· разрядники и ОПН на подстанциях;

· в отдельных случаях - конденсаторы для снижения грозовых перенапряжений.

Защитное действие тросов и молниеотводов основано на отводе тока молнии от защищаемого оборудования. Остальные защитные устройства выполняют две функции:

· присоединение защищаемой цепи к заземлителю при воздействии перенапряжения (непосредственная защитная функция);

· отключение защищаемой цепи от заземления при окончании действия перенапряжения, что часто связано с отключением возникшего короткого замыкания в защищаемой цепи.

Искровые промежутки и роговые разрядники

Искровые промежутки являются самым простым и дешевым устройством защиты от перенапряжений, в настоящее время применяется редко. В сетях напряжением 3..35 кВ могут выполняться в виде рогов, способствующих растягиванию и гашению дуги из-за электродинамических сил и тепловых потоков. В сетях до 35 кВ длина защитного промежутка мала, и для предотвращения замыкания промежутка птицами в заземляющих спусках создаются дополнительные искровые промежутки.

Параметры искровых промежутков приведены в табл. 2.

Искровые промежутки обладают целым рядом недостатков, основные из которых следующие:

· срабатывание искровых промежутков приводит к короткому замыканию, которое должно отключаться выключателями; при переходном процессе среза напряжения могут возникнуть перенапряжения на продольной изоляции трансформаторов, реакторов и электрических машин;

· большой статистический разброс пробивных напряжений затрудняет координацию изоляции;

· вольт-секундная характеристика искрового промежутка из-за резкой неоднородности поля имеет подъем в области малых времен, соответствующих грозовым перенапряжениям, и защищаемая изоляция может остаться незащищенной (рис. 1).

Таблица 2

Рис. 1. Вольт-секундные характеристики изоляции (1) и искрового промежутка с резконеоднородным полем (2)

Достаточно широко применяемые на контактной сети роговые разрядники выполняются либо с одним искровым промежутком, либо с двумя искровыми промежутками (рис. 2). Действующие «Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети» требуют применения роговых разрядников с двумя искровыми промежутками.

Рис. 2. Роговые разрядники, применяемые на контактной сети

Параметры роговых разрядников приведены в табл. 3.

Таблица 3

Способность гашения дуги роговым разрядником сильно зависит от скорости и направления ветра. Дуга гаснет быстрее при направлении ветра перпендикулярно плоскости разрядника.

Трубчатые разрядники

Трубчатые разрядники (рис. 3) представляют собой разновидность искровых промежутков, дополненных приспособлением для принудительного гашения дуги, которое выполнено в виде трубки из газогенерирующего материала (винипласт или менее прочный фибробакелит). Защитная функция трубчатым разрядником выполняется так же, как и простым искровым промежутком, с теми же недостатками; отключение дуги сопровождающего тока короткого замыкания производится из-за интенсивного газовыделения трубкой при повышенной температуре горения дуги. Специфическим недостатком трубчатого разрядника является наличие зоны выхлопа разрядника.

Рис. 3. Устройство трубчатого разрядника и вольт-секундные характеристики разрядника РТФ-35/0.8-5 при l₂=60 мм (1), l₂=40 мм (2), рогового разрядника 2х50 мм (3)

В соответствии с выполняемыми функциями трубчатый разрядник характеризуется двумя группами параметров. К первой группе относится номинальное напряжение, пробивное напряжение промышленной частоты, импульсное пробивное напряжение и вольт-секундная характеристика. Ко второй группе относятся нижний и верхний пределы отключаемых токов.

Основное применение трубчатых разрядников сводится к защите подходов к подстанциям, защите оборудования маломощных подстанций 3-10 кВ и защита контактной сети переменного тока.

Вентильные разрядники

Вентильные разрядники являются другой разновидностью искровых промежутков, отличающихся слабой неоднородностью электрического поля и нелинейным резистором для гашения дуги. Защитная функция вентильным разрядником выполняется так же, как и простым искровым промежутком, но в связи с однородностью электрического поля вольт-секундная характеристика разрядника существенно лучше, чем у трубчатого, и меньше статистический разброс пробивных напряжений. Отключение возникшего короткого замыкания производится с помощью нелинейного резистора, включенного последовательно с искровым промежутком; сопротивление этого резистора велико при рабочем напряжении и резко снижается при повышенном напряжении.

Простейший единичный промежуток вентильного разрядника показан на рис. 4а. Промежуток составлен двумя латунными электродами, разделенными миканитовой шайбой.

Рис. 4. Единичный искровой промежуток с неподвижной дугой (а) и вид вольт-секундной характеристики разрядника с многократным искровым промежутком (б)

Единичные промежутки включаются последовательно друг с другом для улучшения гашения дуги, которая нестабильна в небольшом промежутке с холодными электродами. У многократного искрового промежутка, однако, происходит неравномерное распределение напряжения на отдельных промежутках, аналогично гирлянде изоляторов, что приводит к снижению пробивного напряжения при малых временах порядка 2-4 мкс (рис. 4б).

Группа характеристик вентильного разрядника, определяющая его защитную функцию, составлена следующими характеристиками:

· номинальное напряжение;

· наибольшее допустимое длительное напряжение на разряднике;

· пробивное напряжение на частоте 50 Гц (обычно действующее значение);

· остающееся напряжение на сопротивлении резистора при определенном импульсном токе (от 5 до 14 кА, в зависимости от типа разрядника), называемом током координации (рис. 5).

Рис. 5. Вольтамперная характеристика резистора вентильного разрядника (а) и напряжение на вентильном разряднике при его срабатывании (б)

Функция отключения характеризуется напряжением гашения - это наибольшее напряжение промышленной частоты на разряднике, при котором надежно обрывается сопровождающий ток (ток гашения).

Еще одной характеристикой разрядника является его пропускная способность, то есть минимальное количество нормированных импульсов тока, который разрядник должен выдержать без существенного изменения его свойств. Это количество обычно равно 20.

Таким образом, и защитная функция, и отключение короткого замыкания определяются как искровым промежутком, так и нелинейным резистором.

Нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН)

Основным недостатком вентильного разрядника является сравнительно невысокая нелинейность резисторов на основе карбида кремния. Значительно большей нелинейностью обладают резисторы на основе окиси цинка. Выполненные на их базе ОПН позволяют ограничивать коммутационные перенапряжения на уровне (1,65..1,8)U_ф, а грозовых - на уровне (2,2..2,4)U_ф.

Высоконелинейные оксидно-цинковые резисторы выпускаются в виде дисков диаметром от 28 до 85 мм. ОПН выполняется путем последовательного и параллельного включения таких резисторов. При рабочем напряжении через одну параллельную колонку резисторов протекает ток в доли миллиампера, и необходимость в искровом промежутке отпадает.

Защитная функция ОПН характеризуется величиной остающегося напряжения при определенной величине протекающего тока коммутационного или грозового перенапряжения. Понятия напряжения гашения у ОПН нет, однако есть наибольшее рабочее напряжение ОПН, выше которого может произойти разогрев и разрушение ОПН. Кроме того, ОПН характеризуют величиной номинального напряжения, которая указывается в маркировке ОПН.

2. Основные принципы грозозащиты линий и контактной сети