Предварительный выбор ограничителей.

Ограничитель перенапряжений, являясь средством ограничения перенапряжений на изоляции электрооборудования подстанций, линий и электрических машин, повышения надежности работы защищаемого объекта, не должен снижать надежности за счет собственного повреждения. Поэтому выбор этих защитных аппаратов, как и выбор любого электротехнического оборудования, должен быть тщательно взвешен и обоснован. В связи с изложенным, выбор ОПН, как правило, выполняется в два этапа:

1) предварительный выбор;

2) после изучения влияющих факторов окончательный выбор.

Первым, и наиболее важным, шагом для выбора ограничителей является выбор напряжения ОПН с учетом времени его воздействия. Для этого необходимо иметь максимальную информацию о сети (об объекте), где будет работать защитный аппарат.

Главным обстоятельством, определяющим безаварийную работу ограничителей, является длительное допустимое рабочее напряжение на аппарате. В Российской Федерации и большинстве стран СНГ оно оговорено директивными документами в рамках соответствующих правил и требований (ПТЭ, ПУЭ, РУ). По этим требованиям напряжение на подстанциях в нормальном режиме не должно быть более, чем 1,2 Uном в сетях 3-20 кВ, и 1,15 Uном – на подстанциях 35 кВ. Поскольку воздушные и кабельные линии в сетях до 35 кВ включительно имеют умеренную длину, то ОПН при их установке на линиях длительное допустимое рабочее напряжение может быть принято таким же, что и для ОПН, устанавливаемых на подстанциях.

Кроме того, условия работы ограничителей перенапряжений, оказываются различными для различных сетей:

- генераторного напряжения 6-24 кВ;

- собственных нужд электростанций 6 кВ;

- распределительных 0,5¸35 кВ, работающих в режиме изолирования нейтрали или ее резонансного заземления через дугогасящий реактор.

При предварительном выборе величины напряжения 50 Гц, длительно воздействующего на ОПН, следует иметь ввиду, что в сетях до 35 кВ включительно с изолированной или резонансно- заземленной нейтралью при замыканиях на землю одной из фаз на двух здоровых фазах устанавливается линейное напряжение где Uфм - максимальное фазное напряжение.

При выборе ОПН для установки в нейтрали трансформаторов для защиты дугогасящих реакторов и вращающихся электрических машин в первом приближении можно считать, что на ОПН нейтрали действительно может воздействовать напряжение частотой 50 Гц не более

Варистор аппарата или ограничитель перенапряжений, рассчитанные на определенное длительное напряжение Uнр, пропускает через себя определенный активный ток, который не нарушает их тепловой баланс (тепловую устойчивость). Это позволяет за счет сокращения длительности воздействия увеличить величину допустимого напряжения. Такие зависимости для аппаратов ЗАО 'Полимер-Аппарат' приведены на рис.2.1и 2.2.

Рис.2.1. Зависимость 'напряжение - время' для ОПН производства ЗАО “Полимер - Аппарат” на базе варисторов с диаметрами 46 мм и 60 мм А – после нагрева до температуры 60оС без предварительного нагружения; Б – после нагрева до температуры 60оС с предварительным нагружением двумя прямоугольными импульсами 420 и 550 А.

Рис.2.2. Зависимость 'напряжение - время' для ОПН ЗАО “Полимер - Аппарат” на базе варисторов 'Epcos': А – после нагрева до температуры 60оС без предварительного нагружения; Б – после нагрева до температуры 60оС с предварительным нагружением тремя прямоугольными импульсами 800, 1200, 1500 и 2100 А (для варисторов с диаметрами 60 мм, 70 мм, 78 мм и 99 мм).

Как видно из ряда этих зависимостей, уже предварительно нагруженные энергией ограничители перенапряжений также могут противостоять квазистационарным повышениям напряжения, но несколько меньшей длительности.

Таким образом, для определения расчетной величины рабочего напряжения ограничителей до 35 кВ включительно необходимо знать величину максимального допустимого рабочего напряжения Uнр и зависимости Кв = U/Uнр из рис.2.1-2.2.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Определить расчетную величину длительного допустимого на ограничителе 24 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат» напряжения, устанавливаемого на зажимах турбогенератора и в его нейтрали. Время действия защиты при замыканиях на землю 0,5 с, предполагаемый прямоугольный импульс тока 1200 А.

В подавляющем большинстве случаев для турбогенератора на 24 кВ Uнр на 10% превосходит номинальное напряжение, то есть Uнр = 1,1×24 = 26,4 кВ. По рис.2.2 при tф = 0,5 с., коэффициент Кв изменяется от Кв = 1,43 (при предварительном нагружении удельной поглащаемой энергией при температуре окружающего воздуха +45оС, кривая 2), до 1,51 (в исходном состоянии при температуре окружающего воздуха +45оС, кривая 1). Учитывая жесткие требования к защите турбогенераторов 20 кВ, имеющих большую единичную мощность, с запасом принимаем Кв = 1,43. Поэтому Uрнр = Uнр/ КВ = 26,4/1,48 = 17,9 кВ. Аналогично для ОПН, необходимого для установки в нейтрали турбогенератора, Uрнр = 15,4/= 10 кВ.

Пример 2. Определить расчетную величину длительного допустимого напряжения на ограничителе ЗАО 'Полимер - Аппарат', необходимого для установки на секциях 6 кВ сетей собственных нужд турбогенератора 24 кВ. Время поиска в ликвидации замыкания на землю одной из фаз не более 20 минут, ожидаемый через аппарат ток коммутационных напряжений, равен 500 А.

Для сетей собственных нужд 6 кВ турбогенераторов 24 кВ Uнр = 6×1,2 = 7,2 кВ. Из зависимости рис. 2.1 при t = 20 мин = 20×60 = 1200 с находим, что коэффициент КВ равен от КВ = 1,34 (ОПН в исходном состоянии, кривая Б) до КВ = 1,26 (ОПН при предварительном воздействии двух импульсов тока пропускной способности длительностью 2000 мкс с удельной поглащаемой энергией одного импульса 2,1 кДж на 1 кВ Uнр, кривая А). Поэтому Uрнр = Uнр /КВ = 7,2 / 1,26 = 5,8 кВ.

Пример 3. Определить расчетную величину длительного рабочего напряжения на ограничителе ОПН – 35 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат», установленного в городской кабельной сети 35 кВ. Время поиска в ликвидации замыкания одной фазы на землю 2 часа. В этом случае Uнр = 1,15× Uном = 1,15×35 = 40,5 кВ. Расчетное время t = 2×60×60 = 7200 с и поэтому из рис. 2.1 коэффициент КВ = 1,18 и Uрнр = Uнр /КВ = 40,5/ 1,18 = 34,3 кВ. Ожидаемый ток коммутационых перенапряжений 420 А.

Пример 4. Определить расчетную величину длительного рабочего напряжения на ограничителе 2,0 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат», необходимого для установки в сетях погружного электродвигателя нефтедобычи для защиты от перенапряжений. Время срабатывания защиты от замыкания на землю (снижения изоляции между токоведущими частями и землей) t = 1 с. Ожидаемый ток коммутационных перенапряжений – 300 А. По данным [6,7] Uнр для названной системы Uнр = Uном = 2 кВ. Из кривой рис.2.1 коэффициент КВ при t=1 с равен КВ= =1,38. Поэтому Uрнр = Uнр /КВ = 2,0/ 1,38 = 1,45 кВ.

Пример 5. Определить рассчетную величину длительного рабочего напряжения на ограничителе 20 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат» для установки в воздушной линии небольшой длины для защиты пересечений линий между собой. Время поиска и ликвидации замыкания на землю 30 минут, ожидаемый коммутационный ток через аппарат ~ 550 А. Из рис. 2.1. при t = 30 мин = 1800 с определяем КВ=1,22, поэтому, Uрнр = Uнр/КВ = 24/1,22 = 19,8 кВ (Uнр = Uном×1,2 = 20×1,2 = 24 кВ).

Пример 6. Определить расчетную величину длительного рабочего напряжения на ограничение 10 кВ ЗАО «Полимер – Аппарат», устанавливаемого в разветвленной кабельной сети. Время поиска и ликвидации замыкания на землю 1 час, ожидаемая величина тока коммутационных перенапряжений около 800 А. Напряжение Uнр для сети 10 кВ равно Uнр = 1,2×Uном=1,2×10 = 12 кВ. Из рис. 2.2. при t = 1 час = 3600 с определяем КВ.=1,22, поэтому Uрнр = Uнр/ КВ = 12/1,22 = 9,9 кВ.

Одним из основных параметров, определяющих электрические характеристики нелинейных ограничителей перенапряжений, является величина импульсного (разрядного) тока Iр, допустимого через варисторы упомянутых защитных аппаратов. При значениях тока больше допустимого Iр для выбранных варисторов может произойти их перекрытие по боковой поверхности.

Импульсные токи через ОПН обычно изучаются по ходу снятия кривых опасных волн [2,5] на ПЭВМ или в полевых условиях. Методика исследования импульсных токов такова: при снятии кривых опасных волн импульсные напряжения на изоляции электрооборудования, например, силового трансформатора, увеличиваются до тех пор, пока их амплитуда не коснется уровня допустимых импульсных воздействий (на плоскости 'напряжение - время') Uдоп.

Так, например, для силовых трансформаторов

Uдоп = 1,1 (Uпв - Uном/2),

для электродвигателей 6 или 10 кВ

Uдоп = ×1,7 ×Uном [8,9],

где Uпв - полная импульсная испытательная волна по ГОСТ 1516.3-96;

Uном - номинальное напряжение трансформатора со стороны обмотки исследуемой сети или электрических машин.

При касании импульсных перенапряжений и Uдоп фиксировалась осциллограмма тока через ОПН и далее определялись амплитуда и форма тока. Такая методика изучения импульсных токов через ОПН, реализовывалась с помощью программы “ГРОЗА” для ПЭВМ, разработанной на кафедре электроэнергетики и техники высоких напряжений Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Анализ показал, что величина импульсного тока через ограничители перенапряжений зависит от типа подстанции (тупиковая, проходная, многофидерная), числа и количества защитных аппаратов, типа и характеристик самих защитных аппаратов, типа защищаемых машин, конденсаторных батарей, силовых фильтров, расстояния между защищаемым оборудованием и защитным аппаратом, местом установки ОПН (на подстанции или на линии и др.). Однако в большинстве случаев импульсные токи не более, чем приведенные в таблице 2.1. Здесь же отметим, что большинство генераторов напряжением 15, 18, 20, 22 и 24 кВ мощностью более 50 МВт и синхронных компенсаторов 6 и 10 кВ мощностью более 50 МВАр имеют магнитную связь с воздушными сетями (через трансформаторы) и поэтому импульсный ток Iи для ОПН, установленных вблизи упомянутых машин, имеют умеренную величину (Iн < 2-3 кА).

Форма импульсных токов через ОПН на подстанциях определяется крутизной приходящих импульсов напряжения, входной емкостью электрооборудования, числом и характеристиками защитных аппаратов, расстоянием между защитными аппаратами и защищаемым электрооборудованием. Длина фронта таких импульсов изменяется в широких пределах от 4 до 12 мкс, длина полуспада ('хвоста') от 15 до 40 мкс. При выборе ограничителей ориентируются на волну 8/20 мкс.

Таблица 2.1

	Iи, кА
Uном, кВ	подстанции	линии
	получена	принята	получена	принята
0,5¸2,5	1-2		-	-
	4-5		6-8
	4-5		7-9
	4-5		7-9
	4-5		7-9
	4-5		10-12

Если на подстанции установлены конденсаторные батареи поперечной компенсации, а

на подходах линий к подстанциям – конденсаторы связи, упомянутые волны могут несколько 'растягиваться' и нести большую энергию на 1 кВ Uнр.

Иные также параметры импульсных волн при установке нелинейных ограничителей перенапряжений на линиях. Здесь при прямых ударах молнии импульсный ток через ОПН имеет большую амплитуду (смотри таблицу 2.1), но несколько снижается длина фронта и длина волны, например, 5/10 мкс.

Коммутационные токи через ОПН являются одними из основных факторов, определяющих сечение варисторов и вольтамперную характеристику всего защитного аппарата.

Расчет токов при коммутационных перенапряжениях Iк через ограничители перенапряжений чаще всего выполняется с помощью ЭВМ. Существует ряд программ (в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, НЭТИ, МЭИ,НИИПТ, ВГПИ ²Энергосетьпроект² и др.) для расчета величины и формы этого тока.

Ток Iк через ОПН, установленный в конце линии, может быть определен по формуле

Iк = (Umax -Uост) / Zв.

Если защитный аппарат установлен на питающем конце линии (на шинах питающей подстанции), то

Iк =,

где Umax - амплитуда неограниченных перенапряжений;

Uост - остающееся напряжение на варисторах ОПН при токе Iк;

Zв - волновое сопротивление провода относительно земли;

Lп - предвключенная индуктивность питающей подстанции;

b = (b1 + w) / 2 - расчетная частота;

b1 - наименьшая из частот свободных колебаний системы;

w- частота вынужденной эдс. 50 Гц.

Токи Iк через ОПН, установленных на зажимах нагрузки, например, электродвигателей определялись по формуле

где С0 - частичная емкость фазы кабеля на землю; С12 - частичная междуфазная емкость; L - индуктивность коммутируемого электродвигателя; Umax - максимальная амплитуда неограниченных перенапряжений.

Поскольку ток Iк в свою очередь зависит от Uост (Uост – остающееся напряжение на ОПН), его значение определяется параметрами точки пересечения ВАХ ограничителя и нагрузочной кривой.

Ориентировочные значения Iк для ОПН разных классов напряжения до 35 кВ включительно приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Характеристики токов Iк

Uном, кВ	Iк для ОПН, установленных на п/ст, А	Iк для ОПН, установленных на линиях, А
0,5-2,5	100-400	-
	100-400	100-300
	150-500	150-450
	200-500	150-450
	300-550	250-500
	350-600	300-550

Для координации характеристик изоляции, перенапряжений и других влияющих факторов важное значение имеет защитный уровень ограничителей.

Определяющим при выборе защитного уровня ОПН является его назначение (для защиты от грозовых волн или от всех перенапряжений, в том числе от коммутационных) и уровень выдерживаемых перенапряжений изоляцией электрооборудования и линий. В таблицах 2.3 и 2.4 приведены характеристики внутренней изоляции силовых трансформаторов и аппаратов соответственно, где Uнр – наибольшее рабочее напряжение электрооборудования;

Таблица 2.3

Характеристики внутренней изоляции трансформаторов 3-35 кВ

Uном, кВ	Вид оборудования по ГОСТ 1516.3-96	Uн.р., кВ	U1 мин, кВ	Uвыд., кВ	Uи.г.п., кВ	Uвыд.г.п., кВ
	Нормальная	3,5		30,8		45,1
	Облегченная	3,6		17,1	-	-
	Нормальная	6,9		24,7		59,4
	Облегченная	6,9		27,4
	Нормальная	11,5		59,8
	Облегченная	11,5
	Нормальная	17,5		63,5		102,3

Облегченная

17,5

63,3

-

-

Нормальная

93,8

Облегченная

85,5

-

-

Нормальная

40,5

145,5

181,5

Таблица 2.4

Характеристики внутренней изоляции аппаратов 3-35 кВ.

Uном, кВ

Uн.р., кВ

U1 мин, кВ

Uвыд., кВ

Uи.г.п., кВ

Uвыд.г.п., кВ

3,6

37,2

42,9

3,6

17,1

-

-

7,2

49,6

56,1

6,9

27,4

-

-

65,1

71,5

11,5

-

-

17,5

85,2

93,5

17,5

65,3

-

-

100,7

85,5

-

-

40,5

116,2

Примечание. В таблицах 2.3 и 2.4 вверху для оборудования с полной, внизу – для оборудования с ослабленной изоляцией.

Uпгп – полная грозовая волна по ГОСТ 1516.3-96;

Uвыд. г.п. – выдерживаемое импульсное напряжение электрооборудования.

В таблице 2.5 и рис.2.3 приведены характеристики изоляции электрических машин.

Таблица 2.5

Характеристики изоляции для электрических машин.

Мощность, кВт

Uном, кВ

Uисп, кВдейст.

Допустимое напряжение, кВ

3,15

2Uн+1=7,3

10,3

6,0

2Uн+1=13

18,4

До 1000

6,3

2Uн+1=13,6

19,2

2Uн+1=21

2.2. Окончательный выбор ОПН.

Окончательный выбор ОПН производится с учетом требований ПУЭ, ПТЭ. Руководящих указаний по защите от перенапряжений, а также неэлектрических воздействий. К последним весьма условно можно отнести:

- взрывобезопасность, длину пути утечки внешней изоляции ОПН, механические воздействия, климатическое исполнение и категорию размещения, температуру окружающей среды, высоту местности над уровнем моря, а также вибрации, допустимый уровень частичных разрядов.

Любой ОПН, выбранный в соответствии с требованиями электрических воздействий на него, еще не обеспечит надежную и устойчивую работу аппарата, если не учтены неэлектрические воздействия.

Для ОПН в большинстве случаев нормируется величина тока срабатывания противовзрывного устройства. При таком токе не происходит взрывного разрушения покрышки ОПН при его внутреннем повреждении. В противном случае осколки покрышки, а в ряде случаев варисторы, могут повредить оборудование.

Обычно допустимая величина тока к.з. через ОПН (Iдоп) несколько отличается от тока однофазного или трехфазного к.з. (Iкз) для данной установки. Так, для выбора ограничителей с токами срабатывания противовзрывного устройства до 40 кА Iдоп должно быть на 15-20% больше значения Iкз. Для ОПН с Iдоп > 40 кА введение запаса не требуется.

Как показывает анализ литературы, ток Iдоп для ограничителей различных фирм отличается в несколько раз. Испытание противовзрывного устройства при максимальных значениях токов производится за несколько сотых долей секунды, при минимальных токах (порядка 0,5 кА) за время 1,5 с. При этом, если к.з. не отключено и дуга горит по ограничителю между соплами, то до tд = 1,0 с - это не вызывает его разрушения. При горении дуги в пределах времени 1,0 < tд < 8,0 с под воздействием дуги происходит отрыв ребер от покрышки и их осыпание в полукруге с радиусом, равным высоте ограничителя.

Ограничители перенапряжений эксплуатируются в районах с различными степенями загрязнения. Поэтому обычно для их внешней изоляции нормируется путь утечки в соответствии с ГОСТ 9920.

При этом удельная длина пути утечки для ОПН выбирается не менее, чем на 20% выше, чем таковая для остального электрооборудования электроустановки, например, подстанции. Если удельная длина пути утечки не оговаривается, то она должна быть не менее 1,8 см на 1 кВ наибольшего рабочего линейного напряжения сети. Вместе с тем для загрязненных районов величина может составить= 3,1¸3,5 см на 1 кВ наибольшего рабочего линейного напряжения сети. Некоторые фирмы выпускают несколько модификаций ОПН, предназначенных для применения в разных зонах загрязнения.

Ограничители опорного исполнения для наружной установки должны выдерживать следующие механические нагрузки:

- от ветра со скоростью 40 м/с;

- от ветра со скоростью 15 м/с при гололеде с толщиной стенки льда до 20 мм;

- от тяжения проводов в горизонтальном направлении не менее 300 Н в сетях до 42 кВ.

Ряд фирм выпускает ОПН и с другими механическими характеристиками.

При выборе ОПН важное значение имеет его климатическое исполнение и категория размещения в соответствии с ГОСТ 15150-89. Эта информация сведена в таблицы 2.9 и 2.10.

Большинство отечественных ОПН и ряд аппаратов иностранных фирм рассчитаны на температуру окружающего воздуха от - 45 до + 45 0С и от - 60 до + 45 0С. Если вблизи аппарата имеются другие источники высоких температур, то необходимо пересмотреть величину максимального допустимого напряжения частотой 50 Гц, увеличив ее на 20% на каждые 5 градусов повышения температуры.

Высота выше уровня моря сказывается главным образом на внешней изоляции ограничителей перенапряжений. Так, например, если ОПН рассчитан на работу на открытом воздухе на высоте не более Н = 1000 м, то его эксплуатация на высоте Н > 1000 м при пониженной плотности воздуха может привести к перекрытию внешней изоляции. Поэтому при этих условиях внешняя изоляция аппарата должна быть усилена.

Таблица 2.9

Климатическое исполнение изделий.

Обозначения

Исполнение изделий для макроклиматических районов

Рус-ские

Латин-ские

Для эксплуатации на суше, реках, озерах

Для эксплуатации в районах с морским климатом

У

N

С умеренным климатом

-

УХЛ

NF

С умеренным и холодным климатом

-

ТВ

ТН

С влажным тропическим климатом

-

Т

Т

С тропическим как с сухим, так и влажным климатом

-

О

V

Общеклиматическое исполнение на суше, кроме с очень холодным климатом

-

М

М

-

С умеренно-холодным морским климатом

ТМ

МТ

-

С тропическим морским клима-том, для плавания только в этом районе

ОМ

МV

-

Для судов неограниченного райо-на плавания

В

W

-

Общеклиматическое исполнение, кроме районов с очень холодным климатом как на суше, так и на море

Меры безопасности при монтаже и эксплуатации ограничителей перенапряжений должны удовлетворять действующим правилам техники безопасности соответственно при электромонтажных и наладочных работах и эксплуатации электроустановок, а также требованиям ГОСТ 12.2.007.0-75 и ГОСТ 12.2.007.3-75. В частности, к обслуживанию ОПН должен быть допущен персонал, изучивший соответствующую инструкцию и имеющий допуск к обслуживанию высоковольтных распределительных устройств.

При установке ограничителей перенапряжений в зонах с повышенной сейсмической опасностью (выше 7 баллов по МSС-64) конструкция аппарата должна включать мероприятия по сейсмической устойчивости.

Ограничители перенапряжений, работающие при условиях вибрации, должны выдерживать механические нагрузки вибрации по группе условий эксплуатации М1 по ГОСТ 17516 степень жесткости 1 ГОСТ 16962.

Таблица 2.10

Категория изделий по месту размещения

Обозначение

Место размещения в эксплуатации

На открытом воздухе

1.1

Хранение в процессе эксплуатации в помещениях категории 4 и работы, как в условиях категории 4, так и в других условиях, в том числе и на открытом воздухе.

Под навесом или в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например, в палатках, кузовах, прицепах, металлических помещениях без теплоизоляции, в оболочке комплектного изделия категории 1 (отсутствие прямого солнечного излучения и атмосферных осадков).

2.1

В качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категорий 1, 1.1, 2, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементах (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры).

В закрытых помещениях (объемах) с естественной циркуляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе, например, в металлических с теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (существенное уменьшение воздействия солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков, отсутствие росы).

3.1

В нерегулярно отапливаемых помещениях (объемах).

В помещениях (объемах) с искусственно регулируемыми климатическими условиями, например, в закрытых отапливаемых или охлаждаемых и вентилируемых производственных и других помещениях, в том числе хорошо вентилируемых подземных (отсутствие воздействия прямого солнечного излучения, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли, наружного воздуха, отсутствия или уменьшение воздействия рассеянного солнечного излучения и конденсации влаги).

4.1

В помещениях с кондиционированным или частично кондиционированным воздухом.

4.2

В лабораторных, капитальных жилых и других подобного типа помещениях.

В помещениях (объемах) с повышенной влажностью, например, внеотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в почве, в судовых, корабельных и других помещениях, в которых возможны длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке.

5.1

В качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий категории 5, конструкция которых исключает возможность конденсации влаги на встроенных элементов (например, внутри радиоэлектронной аппаратуры).

Ограничители с наибольшим длительно допустимым напряжением 3-42 кВ (ограничители средних классов напряжения) должны выдерживать механические нагрузки от вибрации по группе условий эксплуатации М6 ГОСТ 17516. И, наконец, для ограничителей перенапряжений важное значение имеет уровень частичных разрядов, который скорее всего, относится к электрическим воздействиям на ОПН.

В ряде официальных документов оговаривается уровень частичных разрядов для модуля (пропорциональной части) и для всего аппарата. Часто встречается то, что уровень частичных разрядов на модуле ОПН при 1,05 наибольшем длительно допустимом рабочем напряжении должен быть не более 5 пКл.

2.3. Вопросы эксплуатации ОПН.

Ограничители перенапряжений 6-35 кВ могут быть установлены на шинах (секциях) подстанций или в присоединении трансформаторов, а также электрических машин, например, электродвигателей. В нормальном режиме через защитные аппараты текут длительный рабочий ток, а также грозовые и коммутационные импульсы тока. Однако при возможном повреждении этих защитных аппаратов через них текут токи короткого замыкания с учетом остаточного сопротивления варисторов. Если ОПН установлен в присоединениях силовых трансформаторов или электрических машин, а также на линиях, то аппараты при повреждениях будут отключены выключателями присоединения. При присоединении ОПН к шинам (секциям) они к проводам ВН должны быть подключены наглухо, через разъединитель или предохранитель. Основным критерием при выборе характеристик плавких вставок предохранителей является то, что такие предохранители должны пропускать расчетные токи грозовых и коммутационных перенапряжений ОПН, но достаточно быстро расплавляться при его повреждении.

Этот вопрос подробно исследован в ряде работ авторов данной технической записки. На рис. 2.12 и 2.13 приведены осциллограммы эквивалентных коммутационных и грозовых импульсов. Результаты расчетов приведены на рис 2.14, 2.15 и 2.16, а также в таблице 2.11. В названных рисунках и таблице приняты следующие обозначения.

Рис.2.12. Эквивалентный коммутационный импульс.

Рис.2.13. Эквивалентный грозовой импульс.

Рис.2.14. Зависимость Imax импульса 8/20 мкс, приводящего к расплавлению плавкой вставки, от ее диаметра при po=1,78×10-8 Ом×м (1) и pt=8.9×10-8 Ом×м (2).

Рис.2.15. Зависимость Imax тока 1,2/2,5 мкс, приводящего к расплавлению плавкой вставки, от ее диаметра при po=1,78×10-8 Ом×м (1) и pt=8.9×10-8 Ом×м (2).

Рис.2.16. Зависимость I = f (d): 1- Iпр = 2,5×Iп, 2 - Iпр = 3,5×Iп, 3 - Iпр = a× d3/2, 4 - Iп.

Таблица 2.11

Результаты расчетов срабатывания плавких вставок

d, мм

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,5

Iп, А

0,19

0,54

1,0

1,52

2,13

2,8

3,5

4,1

6,0

Iпр = К×Iп, А1)

0,48

0,67

1,35

1,9

2,5

4,5

3,8

5,3

5,3

7,4

7,0

9,8

8,8

12,3

10,8

15,1

Iпр = а×d3/2, А

0,9

2,52

4,65

7,2

13,1

16,5

20,2

28,2

Imax (8/20 мкс), кА2)

0,13

0,30

0,53

1,18

1,19

2,65

2,12

4,72

3,31

7,37

4,77

17,6

6,5

14,4

8,5

18,8

13,2

29,5

Imax (1,2/2,5 мс), А2)

15,3

Примечание:

1) В числителе при К = 2,5, в знаменателе - при К = 3,5.

2) В числителе при rt = 8,9×10-8 Ом м, в знаменателе - при rо = 1,78×10-8 Ом м.

d - диаметр проволоки плавкой вставки предохранителя, см;

Imax – максимальные токи грозовых и коммутационных перенапряжений,

приводящие к перегоранию плавкой вставки;

1 и 2 – верхняя и нижняя граница области срабатывания при удельном сопротивлении меди при температурах 250 оС (²состояние²) и 1083 оС (температура расплавления меди);

точки на кривых – экспериментальные токи;

Iп – пограничный ток предохранителя;

Iпр – ток предохранителя;

К – кратность пограничного тока предохранителя.

По приведенным выше данным можно решать прямые или обратные задачи:

- при заданных токах Iи и Iк можно определить диаметр плавкой вставки;

- при заданном диаметре плавкой вставки можно определить пределы отключаемых токов при импульсном и коммутационном режимах.

Некоторые фирмы, выпускающие ограничители перенапряжений, не требуют эксплуатационного контроля состояния аппаратов. Однако Российская техническая политика в высоковольтной технике сторонник того, чтобы был хотя бы минимальный контроль. Это обычно достигается измерением токов утечки ОПН под рабочим напряжением (табл. 2.12).

Таблица 2.12

Тип ограничителя

Наибольшее рабочее напряжение, кВ(действ).

Ток проводимости мА(действ).

ОПН-3

3,6

0,4¸0,5

ОПН-6

7,2

0,4¸0,5

ОПН-10

0,4¸0,5

ОПН-20

0,4¸0,5

ОПН-35

40,5

0,4¸0,5

При наличии взрывобезопасного устройства ограничителей они должны иметь расстояние от аппаратов до границ ячейки не менее, чем расстояние от аппаратов до путей обхода. При монтаже ОПН на конструкциях заменяемых вентильных разрядников следует иметь в виду, чтобы верхняя точка ОПН была бы на той же высоте, что и у вентильного разрядника.

Перед монтажом ограничителей необходимо произвести:

а) внешний осмотр ограничителей;

б) измерение сопротивления ограничителей мегомметром напряжением 2,5 кВ (при повышенной влажности окружающего воздуха измерение производят с применением экрана; величина сопротивления не должна отличаться больше, чем на 30% от величин, приведенных в паспорте аппарата).

После монтажа ограничителей до включения под напряжение необходимо произвести измерение тока проводимости. Так, например, измерение тока проводимости ограничителей 10 кВ производят с помощью миллиамперметра переменного тока при напряжении 12 кВ.

Допускается проводить измерение тока проводимости с помощью миллиамперметра постоянного тока. При этом значение тока проводимости примерно на 10% ниже, чем измеренное миллиамперметром переменного тока под рабочим напряжением.

Результаты измерения тока проводимости отдельных фаз ограничителей (с учетом напряжения сети при производстве измерений) сравнивают с данными протокола предыдущих испытаний, а также со значениями, полученными при измерении ограничителей соседних фаз.

В случае отклонения напряжения сети от значения наибольшего рабочего напряжения следует проводить пересчет тока проводимости по формуле:

IUнр = (IU × Uнр) / U, мА(действ),

где IUнр - ток проводимости при наибольшем рабочем напряжении сети; IU -измеренный ток проводимости в мАдейств; U - напряжение сети в момент измерения тока, кВдейств; Uнр - наибольшее рабочее напряжение.

В случае отклонения температуры, при которой производят измерение тока проводимости, от величины нормальной температуры окружающей среды следует производить перерасчет тока проводимости по формуле:

Iто = Iт / [1+Кт (Т-Т0)], мАдейств,

где Iто - ток проводимости при нормальной температуре окружающей среды; Т - температура окружающей среды (Т0=293 Ко); Iт - ток проводимости при температуре окружающей среды Т; Кт - температурный коэффициент высоконелинейных варисторов при напряжении длительного эксплуатационного режима Кт= (0,0018 в/град).

Если измеренное значение тока проводимости достигает величин, приведенных в табл.2.13, то ограничитель должен быть снят с эксплуатации.

Таблица 2.13

Тип ограничителя

Ток проводимости при наибольшем рабочем напряжении мА(действ).

ОПН-3

~ 1,0

ОПН-6

~ 1,0

ОПН-10

~ 1,0

ОПН-20

~ 1,0

ОПН-35

~ 1,0

Вопрос о замене ограничителей следует ставить тогда, когда ток проводимости достигает величины 75-80% от приведенных в таблице значений, если установлено, что то изменение не вызвано внешними факторами, например,загрязнением.

В ряде случаев при окончательном выборе ОПН, наряду с другими параметрами, за основу принимается поглощаемая ограничителем энергия. Последняя определяется в отдельности для внутренних и грозовых перенапряжений. Энергия Э, поглощаемая ограничителем определяется по приближенной формуле

Э = ((Umax - Uост) /Zв)×Uост×2Т×n,

где Umax - величина неограниченных перенапряжений (кВ);

Uост - остающееся напряжение на ограничителе (кВ);

Zв - волновое сопротивление линии (Ом);

Т - время распространения волны, мкс

L - длина линии (км);

V - скорость распространения волны;

n - количество последовательных токовых импульсов.

Обычно во внимание принимается не энергия Э, а удельная энергия Э*= Э/Uном,

где Uном – номинальное напряжение аппарата по МЭК (максимальное выдерживаемое напряжение в течение 10 с после предварительного прогрева до 60о

С и воздействия большой энергии согласно стандарта МЭК). На рис. 2.17 приведена зависимость Э* от отношения Uост/ Uном. Как видно из этого рисунка, все ограничители подразделяются на 5 классов, у которых различные допустимые значения Э*. Верхняя граница Э* для классов 1, 2, 3, 4 и 5 находятся около 1,1; 2,3; 3,5; 5,8 и 7,7 кДж/кВ (Uном).

Рис. 2.17. Характеристики удельной энергоемкости Э*.

В анализируемых сетях до 35 кВ включительно энергия, рассеиваемая в ОПН при импульсных перенапряжениях, соизмерима или в ряде случаев превосходит энергию, рассеиваемую при коммутационных перенапряжениях. Обычно первые характеризуются током формой 4/10 мкс и 8/20 мкс. Здесь нелишне отметить, что току 65 кА, 4/10 мкс соответствует энергия Э*» 2,1 кДж/кВ, 100 кА, 4/10 мкс - Э* =3,5 кДж/кВ, 5 кА, 8/20 мкс - Э* =0,25 кДж/кВ, 10 кА, 8/20 мкс - Э* =0,5 кДж/кВ и 20 кА, 8/20 мкс - Э* =1,25 кДж/кВ. Аналогично импульсу 2000 мкс, 300 А соответствует энергия 2,25 кДж/кВ, 2000 мкс, 500 А - 3,25 кДж/кВ и т.д.

Дата добавления: 2015-08-26