НЕЛИНЕЙНЫЕ ОГРАНИЧИТЕЛИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Для значительного улучшения защитных характеристик разрядников необходимы резисторы из материалов с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой и достаточной пропускной способностью. Эти материалы позволяют отказаться от последовательных с резистором искровых промежутков и дают возможность реализовать глубокое - до уровня, меньшего, чем 2Uф, - ограничение перенапряжений. Таким материалом является поликристаллическое вещество на основе окиси цинка.
В большинстве технически развитых стран, в том числе в России, начались интенсивные разработки новых аппаратов на базе высоконелинейных оксидноцинковых варисторов, которые получили наименование ОПН - ограничители перенапряжений нелинейные.
Созданные ОПН позволяют частично отказаться от искровых промежутков, значительно (на 30-50 % снизить уровень коммутационных перенапряжений, существенно улучшить показатель надежности грозозащиты), в 2-3 раза улучшить массогабаритные показатели защитных аппаратов, сэкономить фарфор, алюминий и его литье, прокат черных и цветных металлов. Кроме того, новые аппараты дали возможность осуществить программу улучшения технико-экономических показателей электрических сетей высокого и сверхвысокого напряжения, уменьшить габаритные размеры ОРУ, ЗРУ и площади под ними, снизить сроки и стоимость строительства.
Первые отечественные аппараты глубокого ограничения перенапряжений класса 110 кВ с уровнем ограничения коммутационных перенапряжений 2,1 были установлены в 1974 г., класса 500 кВ с уровнем ограничения 1,8 - в 1978 г. В энергосистемах России эксплуатируются более 6000 ОПН 110 кВ и выше многоколонковой конструкции.
Высоконелинейные оксидноцинковые варисторы выпускаются в виде дисков диаметром 28, высотой 8 мм. Торцы дисков металлизированы и служат контактами при последовательном соединении дисков в колонки.
Рис. 9. Схема замещения варистора
Рис. 10. ВАХ высоконелинейного резистора на постоянном токе и при импульсах
Варисторы обладают активной и емкостной проводимостями. Эквивалентная электрическая схема варистора приведена на рис. 9. Активная проводимость варистора G и емкость С - нелинейные и зависят от приложенного напряжения и частоты. Емкость одного диска при частоте 50 Гц составляет 700-1000 пф.
Вследствие резко выраженной нелинейности вольт-амперная характеристика варисторов во всем возможном в эксплуатации
диапазоне изменения тока может быть аппроксимирована полиномом достаточно высокой степени.
При протекании тока варистор нагревается и его параметры, а значит, и вольт-амперная характеристика изменяются. Мерой изменения вольт-амперной характеристики при нагреве является так называемый температурный коэффициент тока ТК 1 или напряжение ТК, которые определяются (в процентах на кельвии).
Вольт-амперная характеристика варисторов на постоянном токе в диапазоне токов от 10 7 до 10_2 А и импульсах 8/20 мкс при больших значениях тока приведена на рис. 10. Напряжение дано в относительных единицах, причем за базисную величину принято остающееся на варисторе напряжение при токе 100 А ( U100 ).
Вольт-амперная характеристика варисторов не зависит от полярности приложенного напряжения. Как видно из рисунка, при увеличении тока, протекающего через варистор на 4 порядка (с 10 2 до 10 А), остающееся на нем напряжение возрастает лишь на 40%. Именно в этом диапазоне токов ОПН используются наиболее эффективно.
Так же как и вентильные разрядники, электрическая схема и конструктивное решение ОПН должны обеспечить удовлетворение двух противоречивых требований. С одной стороны, должны быть обеспечены необходимые защитные характеристики в режимах ограничения как атмосферных, так и коммутационных
перенапряжений. С другой - аппарат должен иметь достаточный ресурс пропускной способности при импульсных токовых воздействиях и стабильность параметров в нормальном эксплуатационном режиме и при воздействии резонансных перенапряжений, для того чтобы срок его службы был не менее 30 лет.
а б
Рис. 11. ОПН-500 а - общий вид; б — конструкция:
1 - фланец, 2 - экран; 3 - узел взрывобезопасности и герметичности; 4 - фарфоровая покрышка; 5 - теплопроводящая прослойка; 6 - колонки варисторов; 7 - сквозная полость
Рис. 12. Электрическая схема замещения ОПН: R н - нелинейные элементы (варисторы); R - линейные элементы (кварцевый песок), С - емкость
Нелинейный элемент ОПН конструктивно выполнен в виде нескольких блоков из параллельно подключенных столбцов, собранных из большого числа варисторов, заключенных в чехол из термоусаживаемого полиэтилена (рис 11). Нелинейный элемент помещен в фарфоровую покрышку, которая заполняется кварцевым песком и герметизируется. В этом случае электрическая схема замещения ОПН может быть представлена в виде двух параллельных ветвей из элементов нелинейных и линейных сопротивлений, разделенных емкостями С полиэтиленового чехла (рис. 12).
Если все элементы нелинейной и линейной ветвей одинаковы, то потенциалы с обеих сторон полиэтиленового чехла одинаковы и обе ветви существуют как бы независимо друг от друга.
Пропускная способность варисторов определяется амплитудой волны тока заданной формы, которую варисторы многократно выдерживают без пробоя, перекрытия по боковой поверхности или резкого изменения вольт-амперной характеристики.
При коротких импульсах 8/20 мкс, характерных для атмосферных перенапряжений, варисторы выдерживают не менее 20 раз ток с амплитудой не менее 3 кА. На прямоугольной волне 2мс среднее значение пробивного тока при его 20-кратном воздействии составляет 220 А для варисторов с градиентов напряжения Е100 <1,7 кВ/см.
Защитные аппараты на основе высоконелинейных резисторов не имеют последовательных искровых промежутков. Вследствие этого работоспособность варисторов при длительном протекании через них малых токов промышленной частоты, характерных для нормального эксплуатационного режима, является безусловным требованием при создании защитного аппарата. При этом работоспособность должна быть обеспечена в достаточно широком диапазоне температур окружающей среды (от минус 60 до 50°С).
Любая плановая или аварийная коммутация сопровождается режимом одностороннего питания электропередачи; в это время происходят резонансные перенапряжения. Оценка допустимой для варисторов длительности резонансных перенапряжений различной кратности связана с рассмотрением двух основных требований. Во- первых, ток, протекающий через варисторы, при данном времени его протекания не должен приводить к электрическому пробою варисторов, Во-вторых, максимальная температура варисторов к концу режима резонансных перенапряжений, вычисленная с учетом перегревов в предшествовавшем нормальном эксплуатационном режиме и режиме кратковременных коммутационных перенапряжений, не должна превосходить предельную допустимую температуру, равную 110°С.
Улучшение защитных характеристик аппарата достигается разными способами. Один заключается в применении форсированного охлаждения варисторов. Другой метод состоит в шунтировании, как это показано на рис. 13, а, части резисторов искровыми промежутками ИП при напряжениях, превышающих уровень резонансных перенапряжений, В этом случае в длительном рабочем режиме и при резонансных перенапряжениях ток определяется последовательно соединенными варисторами А1 и А2, а уровень ограничения перенапряжений - варистором А1.
Рис. 13. Схемы улучшения защитных характеристик ОПН: а - шунтированием; 6 - включением последовательного искрового промежутка
Та же задача решается применением показанной на рис. 13, б схемы трехфазного включения разрядников звездой с искровым промежутком ИП между нейтралью звезды и землей. В этом случае из кривой тока, протекающего через варисторы, исключаются высшие гармонические, кратные трем, что приводит к снижению амплитуды и действующего значения тока.
Одной из важных проблем, решение которой было невозможно с помощью разрядников с резисторами на основе карбида кремния, была проблема глубокого ограничения одним и тем же аппаратом как перенапряжений фаза-земля, так и междуфазных перенапряжений. Применение высоконелинейных резисторов позволяет решить задачу глубокого ограничения междуфазных перенапряжений с помощью ограничителя, резисторы которого соединены по схеме четырехлучевой звезды, показанной на рис. 14. Аппараты, выполненные по электрической схеме, приведенной на рис. 14 получили обозначение ОПНИ.
Рис 14 Схема четырехлучевого защитного аппарата
Защитные аппараты, состоящие только из параллельного соединения колонок варисторов, маркируются ОПН. Ограничители перенапряжений типов ОПН на все классы напряжения имеют одноколонковое исполнение (рис 11), что обеспечивает резкое уменьшение их габаритных размеров и весовых показателей Аппараты могут быть использованы также в качестве опорных изоляционных колонок на подстанциях или как опорные колонки разъединителей В последнем случае объединение функций двух аппаратов в единой конструкции позволяет экономить значительные площади на подстанциях, особенно в ЗРУ. При одноколонковом исполнении ОПН сводится к минимуму влияние тока проводимости по внешней поверхности покрышек при их увлажнении и загрязнении на ток, протекающий через резисторы.
В соответствии с техническими условиями выпускаемые отечественные ОПН 110-500 кВ имеют ограниченное применение ОПН 110-220 кВ не следует применять в схемах распределительных устройств (в том числе пусковых и ремонтных) без выключателей на стороне ВН, в которых самая низкая из частот свободных колебаний менее 250 Гц и установившееся повышение напряжения на ОПН выше 1,3Uф, и на подстанциях, на шинах 110-220 кВ которых установлены батареи шунтовых конденсаторов, ОПН 500кВ не следует применять на линиях 500 кВ с шунтирующими реакторами, у которых в неполнофазных реле и мах резонансные повышения напряжения с учетом потерь от короны превышают 1,3Uф, и в схемах без выключателей на стороне ВН, в которых установившиеся повышения напряжения в неполнофазных режимах превышают 1,3 Uф.
