ОПН. Нелинейные ограничители перенапряжений
Цель работы: Изучение конструкций и характеристик ограничителей перенапряжений нелинейных.
Основные сведения
Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) являются разрядниками без искровых промежутков, в которых вместо обычных нелинейных резисторов, изготовленные на базе карбида кремния (SiC), используется высоконелинейные резисторы (варисторы), изготовленные на базе оксида цинка. Высокая нелинейность варисторов определяет чрезвычайно малую величину тока, протекающего через ОПН при наибольшем допустимом напряжении (менее 1 мА), и позволяет отказаться в них от искровых промежутков, так как при таком токе ОПН может неограниченно долго находиться под рабочим напряжением сети.
При этом ограничения перенапряжений определяется только его вольтамперной характеристикой (ВАХ), защитные действия которой распространяются и на коммутационные перенапряжения, имеющие меньше амплитуды тока по сравнению с грозовыми перенапряжениями.
Вольтамперные характеристики ОПН в стилизованном виде и логарифмическом масштабе представлена на диаграмме, из которой видно, что при повышении напряжения выше наибольшего допустимого (Uнд) ток, ток проходящий через ОПН, резко увеличивается, достигая значений 5-10 кА при U/Uнд =2,1 -2,3. Следовательно, при возникновении в сети волн перенапряжений их величина в месте подсоединения ОПН не может превышать значений для определенных разрядных токов.
Для сравнения, на диаграмме (рис.1) изображена ВАХ вентильного разрядника с одинаковым уровнем ограничения перенапряжения при токе 10 кА (порядка 4 Uф). Из нее видно, что после пробоя искрового промежутка разрядника под воздействием импульса перенапряжения и его исчезновения через разрядник протекает ток, величина которого определяется напряжением сети сопротивлением резисторов разрядника. Следовательно, вентильные разрядники поглощают как энергию импульсов перенапряжения, так и значительную часть энергии при протекании сопровождающего тока, который в ОПН отсутствует.
Отсутствие дугогасительного устройства с искровым промежутком и сопровождающего тока после воздействий импульсов перенапряжений значительно упрощает конструкцию ОПН и повышает его коммутационный ресурс. Применение варисторов нестареющего типа позволяет запрессовывать их в оболочки из полимерных материалов и изготавливать ОПН, не требующих обслуживания и ремонта в течении всего срока службы. Использование полимерных материалов резко снижает массу ОПН (до семи крат), исключает повреждения при транспортировании, монтаже и эксплуатации, позволяет легко выполнять взрывобезопасные конструкции и осуществлять высококачественную герметизацию внутренней полости ОПН для предотвращения ее перекрытия из-за увлажнения. Полимерная гидрофобная изоляция наружной установки при одинаковой длине пути утечки, загрязнении имеет в 1,5 – 2 раза более высокую электрическую прочность по сравнению с фарфоровой.
Высоконелинейная вольтамперная характеристика варисторов, стабильность их параметров и постоянное подключение к защищаемой сети позволяют обеспечить глубокий уровень защиты оборудования от всех видов перенапряжений. Указанные положительные качества ОПН с полимерной изоляцией и достаточно низкий уровень цен по достоинству оценены эксплуатирующими организациями, которые практически во всех странах мира перешли на повсеместное применение ОПН вместо вентильных разрядников.
Защитные аппараты от перенапряжений на основе оксидно – цинковых варисторов (ОПН) находят все большее применение в электрических сетях.
Однако эффективность использования ОПН в сетях различного напряжения и состава существенно зависит от правильного выбора характеристик аппарата. Проектировщики и эксплуатационники должны иметь достоверную информацию о тех параметрах ОПН, которые необходимо учитывать при их установке. Требуется индивидуальный подход к выбору ОПН.
Нормируется пять классов энергоемкости ОПН:
до 2 кДж/кВ
до 2,5 -3,0 кДж/кВ
до 4,0 -4,5 кДж\кВ
до 7 кДж\кВ
до 10 кДж/кВ.
Основные требования к ОПН
Приведем основные характеристики ОПН, которые необходимо учитывать при выборе аппарата для защиты изоляции электрооборудования конкретной сети
аппарат должен длительно выдерживать напряжение определенного уровня. Эта характеристика называется наибольшим длительно допустимым напряжением – Uнро (в зарубежных каталогах Uс) в кВ;
зависимость допустимого напряжения на аппарате от времени его воздействия – временная характеристика. Диапазон воздействия, содержащийся в каталогах на ОПН, составляет обычно от 0,1 с до 20 мин;
защитные уровни аппарата при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений, характеризуемые вольт – амперной характеристикой (ВАХ) рабочего сопротивления ОПН. ВАХ дается обычно в каталогах применительно к воздействию на аппарат волны определенной формы. Так, ВАХ при воздействии коммутационных волн задается при воздействии достаточно длинной волны 30/60 мкс, ВАХ при воздействии грозовых перенапряжений задается при воздействии как полной волны (8/20 мкс), так и короткой волны (например, 1,2/2,5 мкс). Таким образом характеристики аппарата зависят от длительности воздействующих на них волн напряжения;
существенной характеристикой, определяющей надежность эксплуатации самого аппарата, является его энергоемкость, т.е. способность поглощать определенную энергию в течение однократного срабатывания. Во время коммутаций аппарат может срабатывать несколько раз через достаточно малые интервалы времени, в течении которых он не успевает охладиться. Поэтому при осуществлении таких коммутаций следует учитывать суммарную энергию, поглощенную ОПН в течение всего переходного процесса. В настоящее время все аппараты классифицируются по величине поглощаемой во время единичной коммутации удельной энергии – классы энергоемкости ОПН. Удельная энергия определяется, как:
Wуд = W/Uнро (кДж/кВ),
где W – энергия, поглощаемая в варисторах ОПН в течение единичной коммутации.
Классификация электрических сетей для выбора ОПН
Приведенные выше основные характеристики защитного аппарата типа ОПН предопределяет те предварительные расчеты, которые должны быть проведены при выборе аппаратов. Условие эксплуатации ОПН зависят как от класса напряжения, так и от состава сети.
В связи с этим сети могут быть классифицированы в зависимости от режима нейтрали:
сети среднего напряжения 6-35 кВ с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через резистор или дугогасящий реактор (ДГР);
сети высокого напряжения (выше 110 кВ), эксплуатируемые при эффективно заземленной нейтрали;
сети напряжением до 1 кВ с глухо заземленной нейтралью.
Сети средних классов напряжения можно подразделить на: распределительные сети (воздушные, кабельные или воздушно-кабельные); сети, в состав которых входят вращающиеся машины; сети собственных нужд электрических станций, электрические сети насосных и компрессорных станций магистральных нефте- и газопроводов, сети в системах водоснабжения крупных промышленных центров и др.
Выделение сетей, содержащих вращающиеся машины, в отдельную группу связано с необходимостью глубокого ограничения перенапряжений из-за относительно низкой электрической прочности статорной изоляции вращающихся машин по сравнению с электрической прочностью другого электрооборудования:
Uэл.пр.эл.маш = (2,7 – 2,9)Uфт,
Где Uфт –амплитуда наибольшего рабочего напряжения.
Выбор и техническое обслуживание ОПН
Электросети напряжением 380 – 660 В
Выбор ограничителей перенапряжений серии ОПН – Н необходимо производить по величине наибольшего длительно допустимого напряжения Uнд.
В отличие от вентильных разрядников ограничители перенапряжений, укомплектованные варисторами нестареющего типа, не требуют проведения в эксплуатации текущих и профилактических работ в течение всего срока службы.
Монтаж и эксплуатация ограничителей должны проводится в соответствии с паспортом предприятия изготовителя. Правильно выбранный и установленный ограничитель не требует технического обслуживания в течение всего срока службы.
При профилактических испытаниях изоляции электрооборудования распределительных устройств повышенным напряжением ограничители должны отключатся с принятием мер, исключающих их пробой на потенциальные вводы.
Электросети напряжением 6 – 10 кВ
Для замены вентильных разрядников наружной установки 6-10 кВ рекомендуется применять ограничители ОПН-РС-6/7,6 и ОПН – РС-10/12,7, которые обеспечивают более низкие (11%) уровни перенапряжений, чем разрядники. Для особо тяжелых условий работ целесообразно использовать ограничители серии ОПН –Т с теми же значениями Uнд, что и у вентильных разрядников.
Для замены вентильных разрядников внутренней установки предприятия предоставляют заказчикам на выбор разные серии ограничителей перенапряжений, которые отличаются между собой значениями Uнд, пропускной способностью и остающимся напряжением при разных импульсах тока. В общих случаях (без оценки энергии, потребляемой ОПН) следует применять из выбранной серии ограничители, имеющие наибольшее значение Uнд. Они обеспечивают более высокую надежность работы ОПН и достаточно низкий уровень ограничения перенапряжений, который во всех случаях ниже, чем у вентильных разрядников.
При выборе ОПН -6 кВ следует руководствоваться «Рекомендациями по выбору и применению ОПН», которые разработаны предприятиями и высылаются потребителям по заказу.
Электросети напряжением 27 – 35 кВ
В сетях 27-35 кВ с изолированной или компенсированной нейтралью используются вентильные разрядники группы 3 по ГОСТ 16537 – 83 (серия РВС), которые обеспечивают защиту изоляции электрооборудования в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.1. Для их замены рекомендуется применять ограничители серии ОПН –У с Uнд = 33 кВ для сети 27 кВ и сUнд = 42 кВ для сети 35 кВ. Эти ограничители лучше защищают изоляцию электрооборудования, чем разрядники –соответственно на 11% и 5% при импульсе тока 5 кА, 8/20 мкс. При этом существенно увеличивается допустимое время существования квазиустановивщихся повышений напряжения.
При использовании ограничителей серии ОПН –У в электросетях 27-220 кВ с более низкими значениями Uнд и соответственно более глубоким уровнем ограничения перенапряжений необходимо оценивать энергию, потребляемую ОПН при расчетных коммутационных перенапряжениях с учетом конфигурации сети и расстановки ОПН. При этом энергия, выделяющееся в ОПН, не должна превышать 4 кДж/кВ Uнд.
Электросети напряжением 110 и 220 кВ
Электрооборудование 110 -220 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью защищается вентильными разрядниками группы III по ГОСТ 16537 – 83 (серия РВС) и только для защиты силовых трансформаторов 220 к В требуется применение разрядников группы II, чтобы обеспечить их защиту в соответствии с требованиями ГОСТ 1516.1.
Для замены указанных разрядников рекомендуется применять ограничители перенапряжений серии ОПН –У с Uнд = 84 кВ (ОПН-У-110/84) для сетей 110 кВ и с Uнд = 168 кВ (ОПН – У220/168) для сетей 220 кВ. Эти ограничители с наиболее высокими значениями Uнд обеспечивают снижение остающихся напряжений при импульсах тока 5 и 10 кА, 8/20 мкс не менее чем на 25% по отношению к разрядникам группы III и не менее чем на 6% по отношению к разрядникам группы II. При этом существенно увеличивается допустимое время существования квазиустановшихся повышений напряжения.
Конструкции ОПН
Предприятия выпускают все серии ОПН в полимерной, гидрофобной и трекинго – стойкой изоляции. Например ОПН серий ОПН – РС и ОПН –У наружной установки изготавляются с внешней защитной оболочкой из кремнийорганической резины, имеющей более чем 20 –летний положительный опыт эксплуатации в энергосистемах в составе линейных изоляторов серии ЛК.
ОПН на напряжения 6-10 кВ внутренней установки изготовляются путем комплектования единичных варисторов в колонки с заданными характеристиками и «корпусирования» их в полимерный корпус при помощи шприц пресса при высокой температуре. Полимерный материал с термоусаживающими свойствами создает при остывании механическое напряжение на колонку варисторов и обеспечивает ее хорошую герметизацию. Необходимая длина пути утечки обеспечивается за счет создания на внешней поверхности изоляции при «корпусировании» ОПН специальных тонкостенных ребер.
ОПН на напряжение 6-10 кВ наружной установки изготовляется аналогичным образом с дополнительным изготовлением и накоеиванием на внешнию поверхность ОПН ребристой оболочки из кремнийорганической резины.
ОПН на напряжения 35 кВ и выше изготовляются путем монтажа колонок варисторов в высокопрочную стеклопластиковую трубу, на внешнюю поверхность которой наклеиваются кольца с ребрами из кремнийорганической резины. На стеклопластиковую трубу монтируется металлические фланцы с резьбовым соединением и склейкой. Колонки варисторов предварительно «корпусируются» в полимерный корпус и при установке в стеклопластиковую трубу поджимаются пружинами для создания стабильного электрического контакта между собой. Стеклопластиковая труба герметичные по конструкции имеют выхлопные клапаны, которые обеспечивают взрывобезопасность ОПН.
Различные конструкции ОПН показаны на стенде в лаборатории 5/02.
Варианты применения ограничителей перенапряжения
для защиты электрооборудования
Защита трансформаторов
Как правило, каждый установленный в сети трансформатор должен защищаться от грозовых разрядов при помощи ограничителей перенапряжения, установленных между каждой из фаз и землей.
Эффективность защиты трансформаторов от перенапряжений зависит, прежде всего, от места размещения ограничителя относительно защищаемого трансформатора и от основных технических характеристик. На рис.2 и рис.3 показаны схема защиты трансформатора и оптимальная локализация ограничителя. Расстояние d имеет влияние на увеличение значения перенапряжения на трансформаторе по отношению к грозовому уровню защиты ограничителя Up (Up – это пониженное напряжение при номинальном разрядном токе). Чем больше крутизна подбегающей из линии волны перенапряжения и длиннее участок d, тем рост перенапряжения больше. На проводах d1 и d2 возникает падение напряжения, вызванное протеканием разрядного тока через ограничитель. Эти падения напряжений прибавляются к уровню защиты Up ограничителя, что имеет влияние на увеличение значения перенапряжений на трансформаторе.
Защита электродвигателей
На рис.4 показаны схемы защиты электродвигателей высокого напряжения. Электродвигатели высокого напряжения устанавливаются обычно в сетях, не подверженных воздействию грозовых разрядов. Цель защиты электродвигателей высокого напряжения – это защита от коммутационных перенапряжений. Обычно для защиты электродвигателей высокого напряжения применяются ограничители, подключенные между фазой и землей (рис.4а). такая система эффективно защищает главную изоляцию электродвигателя от перенапряжений, однако защита междуфазной изоляции ограничена, особенно в случае сети с изолированной нулевой точкой трансформатора, когда устойчивые напряжения работы фазовых ограничителей подобраны на уровне напряжения Uc = Um. в этом случае рекомендуется применение системы с шестью ограничителями (рис.4б).
Защита вставок кабелей, соединенных с воздушной линией
На вставках кабеля, соединенного с воздушной линией, для защиты кабеля следует устанавливать ограничители перенапряжения. Для длинных вставок кабеля ограничители нужно устанавливать с обеих сторон (рис.5).
В случае когда длина вставки кабеля L меньше 5м, достаточно установить ограничители с одной стороны кабеля. Когда вставка кабеля является окончанием линии, например, подход до трансформатора (рис.6), для L>5м нужно устанавливать в точках I и II, для короткого участка кабеля установка ограничителя в точке II составляет достаточную защиту как для трансформатора, так и для кабеля.
Требования к отчету
Отчет должен содержать основные параметры и эскизы изучаемых в лаборатории конструкций ОПН. По заданию преподавателя начертить схему защиты электрооборудования с применением ОПН.
Контрольные вопросы
1. Что такое ОПН? Чем они отличаются от вентильных разрядников?
2. Распространяется ли защитные свойства ОПН на коммутационные перенапряжения?
3. Что дает отсутствие искровых промежутков в ОПН?
4. На какие классы делятся ОПН по энергоемкости?
5. Что создает нелинейность в конструкции ОПН?
6. Сравните ВАХ ОПН и вентильных разрядников.
7. Чем отличаются ОПН на напряжении 6 -10 кВ для внутренней установки от ОПН наружной установки?
8. Какие изолирующие материалы используются для изоляции ОПН?
9. Назовите основные характеристики ОПН.
10. От каких перенапряжений защищает ОПН для внутренней установки?
11. От каких перенапряжений защищает ОПН для наружной установки?
12. По каким параметрам выбирают ОПН?
13. Что дает отсутствие искровых промежутков в ОПН?
14. Как изготовляются ОПН на напряжения 35 кВ и выше?
15. Чем обеспечивается взрывобезопасность ОПН?
Литература
1. Базуткин В.В., Ларионов В.П. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. Москва. Энергоиздат,1986
2. Васильев А.А. Электрическая часть станций и подстанций. М. Энергоатомиздат,1990.
3. Рожкова Л.Д., Карнеева Л.К., Чиркова Т.В. Электрооборудование электрических станций и подстанций. Москва. Издательский центр «Академия». 2006.
4. Проспект промышленной группы «Таврида Электрик».