Разрядники и ограничители перенапряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разрядники и ограничители перенапряжений

Трубчатые и вентильные разрядники

Электрическое оборудование может оказаться под повышенным (по сравнению с номинальным) напряжением при грозе и коммутации электрических цепей

Разрядники -- основное средство защиты оборудования распределительных устройств от волн перенапряжения, приходящих по линиям электропередачи.

Рисунок 1 Схема, поясняющая принцип действия искрового промежутка

Простейшим разрядником является искровой промежуток (рисунок 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, то при определенном напряжении Uпр 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 tразр -- 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. Если поместить искровой промежуток в трубку из органического стекла 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, применяют на линиях электропередачи, но и они не избавлены от запаздывания срабатывания на время tразр.

Для ограничения перенапряжений, воздействующих на изоляцию подстанций, распределительных устройств 10-0,4 кВ применяются вентильные разрядники. В эксплуатации находятся различные типы разрядников (РВП, РВС, РВО, РВМ, PBMГ, РВМК). Обязательными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и последовательно включенный с ним нелинейный резистор. В нормальных условиях работы электроустановки искровой промежуток отделяет токоведущие части от заземления, и он же при появлении импульса перенапряжений срезает волну опасного перенапряжения, обеспечивая при этом надежное гашение дуги сопровождающего тока (тока промышленной частоты, проходящего вслед за импульсным током) при первом прохождении eгo через нулевое значение.

Искровой промежуток разрядника на соответствующий класс напряжения набирается из блоков искровых промежутков. На рисунке 2 показан блок искровых промежутков, состоящий из четырех единичных искровых промежутков 2, помещенных в фарфоровый цилиндр 1. У разрядников серии РВС каждый единичный искровой промежуток создается двумя штампованными латунными шайбами 3, разделенными тонкой миканитовой или электрокартонной прокладкой 4. Дробление горящей дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства разрядника.

Рисунок 2 Блок искровых промежутков вентильного разрядника серии РВС

Для равномерного распределения напряжения промышленной частоты по единичным искровым промежуткам блок шунтирован подковообразным тиритовым резистором 5. (Тирит, вилит, и тервит-материалы, изготовляемые на основе карбита кремния SiC. Их массы содержат в разных пропорциях карбит кремния и различные по составу связующие вещества).

Разрядники серий РВМ, PBM и РВМК имеют искровые промежутки с магнитным гашением дуги.

В вентильных разрядниках (рисунок 2) последовательно с блоками искровых промежутков включают нелинейные резисторы. Они состоят из вилитовых, а у разрядников высших классов напряжения - тервитовых дисков, собранных в блоки. Диски обладают свойством изменять сопротивление в зависимости от значения приложенного к ним напряжения. С увеличением напряжения сопротивление их уменьшается, что способствует прохождению больших импульсных токов молнии при небольшом падении напряжения на разряднике.

Сопротивление резисторов подбирают таким образом, чтобы они ограничивали сопровождающий ток промышленной частоты 80 -100 А.

Диски нелинейных резисторов невлагостойки. Во влажной атмосфере они резко ухудшают свои характеристики. Поэтому все элементы вентильных разрядников размещают в герметичных фарфоровых покрышках. Герметичность покрышек обеспечивается тщательным армированием фланцев и уплотнением торцевых крышек озоностойкой резиной.

Рисунок 3 вентильный разрядник типа РВС-15: 1 -блок искровых промежутков; 2- блок нелинейных резисторов; 3- фарфоровая рубашка; 4-фланец

Вентильные разрядники отвечают своему назначению только при наличии хорошего заземления нижнего фланца. При отсутствии заземления разрядник работать не будет. Заземляют разрядники присоединением к общему заземляющему устройству подстанции, сопротивление которого нормируется.

Эффективность защиты вентильными разрядниками определяется расстоянием их от защищаемого оборудования: чем ближе (считая по соединительным шинам) к защищаемому оборудованию они установлены, тем эффективнее их защита. Поэтому устанавливают их возможно ближе к наиболее ответственному оборудованию (например, к трансформаторам).

Наблюдение за работой вентильных разрядников ведется по показаниям регистраторов срабатывания. Они включаются последовательно в цепь разрядник - земля, и через них проходит импульсный ток. Регистраторы типа РВР рассчитаны на 10 срабатываний. При появлении в смотровом окне красной риски регистратор перезаряжают (устанавливают новые плавкие вставки). Регистраторы типа РР, отличающиеся по устройствам от регистраторов типа РВР, допускают до 1000 срабатываний.

На рисунке 4 показано присоединение разрядника РВО-10кВ к ВЛ-10 кВ на на первых опора на подходе к ПС.

Рисунок 4 Присоединение вентильных разрядников РВО -10 кВ на ВЛ-10 кВ на первых опорах от ПС

При осмотрах вентильных разрядников обращают внимание на целость фарфоровых покрышек, армировочных швов и резиновых уплотнений. Поверхность фарфоровых покрышек должна быть всегда чистой, так как вентильные разрядники обычной конструкции не рассчитаны на работу в районах с загрязнённой атмосферой. Грязь на поверхности покрышек искажает распределение напряжения вдоль разрядника, что может привести к eгo перекрытию даже при номинальном рабочем напряжении. Если головки и гайки болтов фланцевых соединений окажутся не покрашенными, на поверхности фланцевых покрышек могут появиться подтеки ржавчины, образующие проводящие ток дорожки, что может привести к перекрытию разрядника по поверхности. Такие разрядники следует отключать и очищать их поверхность. Представляет опасность высокая трава около разрядника, которая может зашунтировать eгo нижние элементы. В случае загрязнения изоляции разрядника eгo необходимо отключить и протереть, а траву выкосить. Опыт эксплуатации показывает, что внутри разрядников тоже могут быть повреждения: разрывы в цепях шунтирующих резисторов, увлажнение дисков последовательных резисторов и т.д. Такие повреждения обычно выявляются профилактическими испытаниями. Однако в процессе развития повреждения внутри разрядника могут возникать потрескивания, необычные для разрядников шумы, которые можно обнаружить на слух. Все виды работ на разрядниках должны производиться с лестниц-стремянок. Использование приставных лестниц приводит к поломке фарфоровых покрышек особенно у разрядников типа РВС. Заземлять присоединение разрядника следует стационарными заземлителями, а при их отсутствии переносными заземлениями, устанавливаемыми вблизи разъединителей.

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)

изоляция вентильный разрядник перенапряжение

В последние годы для защиты изоляции подстанций от перенапряжений находят все большее применение ОПН. Они отличаются от вентильных разрядников только отсутствием искровых промежутков и материалом нелинейных резисторов.

Основной элемент ОПН -- варистор -- переменное, изменяющееся сопротивление. Основная активная часть ОПН состоит из набора варисторов, соединённых последовательно и составляющих так называемую «колонку». В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых последовательно либо параллельно. Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том, что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоко нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки.

Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида (окиси) цинка ( ZnO ) и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p - n переходов. Именно эти p - n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора.

Резисторы ОПН ограничивают коммутационные перенапряжения до уровня 1,8 Uф и атмосферные до уровня 2-2,4 Uф. После срабатывания аппарата и снижения перенапряжения до Uф сопровождающий ток, проходящий через резисторы, уменьшается до нескольких миллиампер, что и позволило отказаться от последовательных искровых промежутков.

ОПН конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции). В ОПН с полимерной изоляцией пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов короткого замыкания.

Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования.

В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние.

на рисунке 5 изображена вольт-амперная характеристика ограничителя напряжения она состоит из 3 участков:

1. - область малых токов;

2. - область средних токов;

3. - область больших токов.

Рисунок 5 Вольт-амперная характеристика ОПН

В первой области варисторы работают под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (сопротивление варисторов велико, через них протекает очень малый ток утечки). В режим средних токов варистор переходит при возникновении перенапряжения в сети. При этом на границе 1 и 2 областей происходит перегиб ВАХ, сопротивление варисторов существенно уменьшается и через них протекает кратковременный импульс тока. Варистор поглощает энергию импульса и рассеивает её в окружающее пространство в виде тепла. За счёт поглощения энергии импульс перенапряжения резко падает. Третья область для ограничителя является аварийной, сопротивление варисторов в ней вновь резко возрастает.

Ограничители перенапряжения подразделяются в зависимости от:типа изоляции (полимерная, фарфоровая); конструктивного исполнения (одноколонковые, многоколонковые); величины рабочего напряжения (6-10 кВ; 35кВ; 110кВ; 220кВ и др.); места установки (ОРУ либо ЗРУ).

Фарфоровые ОПН представляют собой колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфоровой покрышки. Получили большое распространение среди защитных средств, но в последнее время мало пользуются спросом в связи с появлением ОПН с полимерной покрышкой. К плюсам ограничителей с фарфоровой изоляцией относят: относительно малое влияние температурных колебаний на состояние аппарата; большая механическая устойчивость (это связано с тем, что основная механическая нагрузка прикладывается к изоляционному покрытию).

Недостатки ОПН в фарфоровой покрышке: недостаточное обеспечение герметичности узла крепления фланца к фарфоровой изоляционной покрышке и сохранение свойств резиновых уплотнителей в процессе длительной эксплуатации ; высокая взрывоопасность (фарфоровые осколки при взрыве разлетаются в разные стороны с огромной скоростью); масса и габариты (ограничители в полимерной покрышке в 2-3 раза легче ОПН с фарфоровой изоляцией);худшие по сравнению с полимерными ОПН тепловые характеристики.

Полимерный ОПН состоит из колонки варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука. Пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой резисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. На данный момент полимерные ОПН (ОПНп) превзошли по масштабам использования и производства фарфоровые ОПН на рисунке 6 а, б и в показано присоединение ОПН-10кВ к трансформатору собственных нужд ПС, ОПН-35кВ и ОПН-110кВ к силовому трансформатору на ПС

а. б. в.

Рисунок 6 а- ОПН-10кВ, б.-ОПН-110кВ, в. ОПН-35кВ

Преимущества ОПНп: высокая гидрофобность; значительно высокая взрывобезопасность, чем у фарфоровых ОПН; вандалоустойчивость; малый вес; лучшие, чем у ОПН в фарфоровой покрышке, электрические и разрядные характеристики; простота монтажа и транспортировки, а также стойкость к ударным и вибрационным воздействиям; способность работать в условиях естественных и промышленных загрязнений и так далее.

К недостаткам полимерных ограничителей относятся: влияние воздействия сезонных колебаний температуры окружающей среды (внутреннее пространство имеет значительно отличающийся коэффициент теплового расширения от материала покрышки, это может привести к деформации рёбер покрышки и снижению электрической прочности внешней изоляции); Неправильный расчёт механической нагрузки может привести к растрескиванию варисторов ограничителя.

Одноколонковые ОПН конструктивно состоят из одной колонки варисторов. Они выпускаются с длиной пути утечки внешней изоляции, которая, (согласно ГОСТ 9920, соответствует второй, третьей и четвёртой степеням загрязнения.)

Существуют одноколонковые ОПН на все классы напряжения, при этом максимально используется объём корпуса аппарата, что также значительно снижает массу по сравнению с многоколонковыми ОПН и существенно повышает надёжность работы.

Многоколонковые ОПН представляют собой несколько блоков (модулей), которые образуются из определённого числа колонок, соединённых либо последовательно, либо параллельно между собой. Используются при больших классах напряжения сети, ОПН составляют из двух или трёх частей (модулей). Такая конструкция существенно повышает надежность работы ОПН при увлажнении и загрязнении поверхности аппарата.

Периодичность текущего ремонта и межремонтных испытаний ограничителей перенапряжения для ОПН переменного тока -- 1 раз в 4 года, а для ОПН постоянного тока -- 1 раз в год.

Диагностируется ОПН в процессе эксплуатации измерением сопротивления, измерением токов проводимости ОПН под рабочим напряжением (6-35 кВ) в лабораторных условиях, измерением токов проводимости ОПН под рабочим напряжением (110-750 кВ), тепловизионное обследование ( с помощью приборов инфракрасной техники с высокой разрешающей способностью по температуре (не ниже 0,5?С)).

Литература

1. Филатов А.А. обслуживание электрических подстанций оперативным персоналом. М.: Энергоатомиздат, 1990. 304 с.: ил.

2. Дмитриев М.В. Применение ОПН для защиты изоляции ВЛ 6-750 кВ. 2009г.91стр. Издательство Политехнического Университета, Санкт-Петербург. [Электронный ресурс]

3. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений. Халилов Ф. Х., Евдокунин Г. А., Поляков B.C., Подпоркин Г. В., Таджибаев А. И. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2002. 272 с.

Размещено на Allbest.ru