Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Оптимизация конструкции ОПН для загрязненной атмосферы

Оптимизация конструкции ОПН для загрязненной атмосферы

 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ РАБОТЫ В РАЙОНАХ С ПОВЫШЕННЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ АТМОСФЕРЫ

Г. Н. АЛЕКСАНДРОВ, доктор техн. наук, В. Е. КИЗЕВЕТТЕР, канд. техн. наук, В. Ф. РЫБАКОВ, Г. А. ГУСЕЙНОВ, инженеры
Ленинградский политехнический институт

Разработка высоконелинейных резисторов на основе окиси цинка (варисторов) и их применение в аппаратах для ограничения перенапряжений [1] явились крупным шагом на пути глубокого ограничения перенапряжений на линиях электропередачи и подстанциях. Однако из-за того, что варисторы находятся под рабочим напряжением в течение всего срока службы возник ряд новых проблем, в частности, обеспечение надежной работы аппарата в районах с повышенным загрязнением атмосферы. Наблюдалось уже несколько случаев разрушения нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН), установленных в таких районах [2].
Вкратце суть проблемы заключается в следующем. Конструкция ОПН состоит из нескольких колонок варисторов небольшого диаметра, размещенных в фарфоровой покрышке. Для обеспечения взрывобезопасности аппарата внутри него предусмотрена демпферная воздушная полость, ограничивающая давление газов внутри фарфоровой покрышки при разрушении одного или нескольких варисторов. Поэтому колонки варисторов размещаются, как правило, по окружности (рис. 1), а пространство между ними и покрышкой заполняется кварцевым песком. При большом числе колонок они располагаются по двум коаксиальным окружностям [3].
При увлажнении загрязненной поверхности аппарата но ней протекает ток утечки, который при больших загрязнениях может достигать нескольких десятых долей ампера.
сечение ОПН
Рис. I. Поперечное сечение ОПН:
I — колонки варисторов; 2 — кварцевый песок (а) и заливочная композиция (б); 3 — покрышка; 4 — внутренняя полость; 5 — защитное покрытие стеклопластика

Рис. 2. Распределение напряжения вдоль колонки варисторов (1) увлажненной поверхности покрышки при отсутствии (I) и наличии (2) подсушенных зон вблизи нижнего фланца (а) и в середине ОПН (б), а также разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и варисторами (3)
Зависимость разрядного напряжения от длины промежутка
Рис. 3. Зависимость разрядного напряжения от длины промежутка между кольцевыми электродами, расположенными на цилиндрическом изоляторе

Протекание такого тока приводит к выравниванию распределения напряжения по покрышке, которое становится таким же равномерным, как и по колонкам варисторов. Разность потенциалов между поверхностями покрышки и варисторов уменьшается до нуля. Однако протекание тока утечки приводит к подсушке поверхности покрышки с образованием узких поперечных подсушенных зон, ширина которых ограничивается межреберным расстоянием и для современных фарфоровых покрышек достигает 60—70 мм.
Увеличение сопротивления подсушенных зон вызывает перераспределение падения напряжения по поверхности покрышки и повышение напряжения на подсушенных зонах (рис. 2). Это приводит, в свою очередь, к возникновению разности потенциалов между наружными поверхностями покрышки и варисторов, которая ограничивается пробивным напряжением между краями подсушенной зоны. Зависимость разрядного напряжения от длины промежутка между кольцевыми электродами, надетыми на цилиндрический изолятор диаметром 47 мм, приведена на рис. 3, из которого следует, что действующее значение разрядного напряжения при длине промежутка 8 см достигает 40 кВ. Следовательно, разность потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и варисторами ΔU может достигать десятков киловольт (рис. 2).

После пробоя воздушного промежутка между краями подсушенной зоны распределение напряжения по поверхности покрышки выравнивается, и разность потенциалов между поверхностями покрышки и варисторов резко уменьшается.
Наличие разности потенциалов приводит к протеканию токов смещения между поверхностями покрышки и варисторов, что вызывает увеличение тока через варисторы, их дополнительный нагрев и ускоренное старение.
При рабочем напряжении на ОПН наибольший ток наблюдается при наличии на поверхности покрышки одной подсушенной зоны у верхнего или нижнего фланца. При этом согласно рис. 2 максимальная разность потенциалов между поверхностями покрышки и варисторов
(1)
где Еρ=Uρ/Δ3 — средняяразрядная напряженность подсушенной зоны шириной Δ3; Ев — рабочая напряженность поля вдоль колонки варисторов.
От точки максимума, соответствующей координате χ=Δ3, падение напряжения ΔUχ уменьшается в соответствии с соотношением
(2)
Значительное различие токов, протекающих по увлажненной поверхности покрышки и по варисторам при рабочем напряжении (на несколько порядков), позволяет приближенно рассматривать процессы, происходящие на покрышках, независимо от токов в варисторах. При распределении разности потенциалов между увлажненной поверхностью покрышки и варисторов согласно рис. 2 (подсушенная зона шириной Δ3 у нижнего фланца) наибольший добавочный ток протекает через нижние варисторы. Он может быть приближенно вычислен следующим образом. Ток на элемент высоты столба варисторов высотой h (равной, например, высоте одного варистора) на высоте х от нижнего фланца
(3)
где С — погонная емкость между увлажненной поверхностью покрышки и варисторов.
Суммарный паразитный ток на варисторы по всей высоте ОПН
(4)
где Н — высота столба варисторов.
При наличии подсушенной зоны такой же ширины на середине высоты покрышки паразитные токи в верхней и нижней половинах текут встречно (рис. 2, б), в результате ток через наиболее нагруженные варисторы вблизи середины колонок определяется половиной высоты ОПН, т. е. уменьшается вдвое по сравнению со случаем, когда подсушенная зона находится в нижней или верхней части ОПН. При расположении подсушенной зоны в промежуточных точках (между верхним и нижним краями ОПН и его серединой) паразитный ток через наиболее нагруженные варисторы

Как показывают эксперименты, образование подсушенных зон на загрязненной поверхности покрышки ОПН носит случайный характер, причем вероятность возникновения подсушенных зон примерно одинакова по высоте. Подсушенные зоны сосредоточены в межреберном пространстве. В связи с этим в наиболее тяжелых условиях оказываются варисторы в верхней и нижней частях ОПН.
Паразитная емкость С зависит от диаметра тела покрышки, расположения варисторов и диэлектрической проницаемости материала. При обозначениях согласно рис. I погонная емкость С может быть определена как емкость цилиндрического конденсатора, образованного увлажненной поверхностью покрышки и некоторой эквивалентной поверхностью варисторов, радиус которой может быть найден по известным формулам для расщепленных проводов
(5)
где п и rв — число столбов варисторов и их радиус; rр — радиус цилиндрической поверхности, проведенной через оси столбов.
С учетом необходимого зазора между варисторами ΔΒ радиус rр может быть найден из соотношения

откуда
(6)
соответственно
(7)
Отношение радиусов
(8)
зависит только от числа столбов варисторов п и отношения зазора Δ к диаметру варисторов 2rв и всегда больше единицы. Поэтому эквивалентная поверхность варисторов может рассматриваться в качестве физической поверхности и зазор между внешней поверхностью покрышки и нею равен δ=δпс+δф: В этом случае паразитная емкость на единицу высоты столба варисторов
(9)

поскольку обычно отношение δ/rэ мало. В формуле (9) ε — эквивалентная диэлектрическая проницаемость материалов, расположенных между слоем загрязнения и варисторами. Например, для двухслойного диэлектрика песок—фарфор, расположенного по соосным кольцам, ε может быть оценена из соотношения




(10)
Так, при δпс=δф=0,5δ, εпc= 1,6ε0, εф=5,5ε0, εп=2,5ε0. Из соотношения (9) следует, что паразитная емкость С пропорциональна эквивалентному радиусу варисторов и обратно пропорциональна зазору δ. Уменьшить С можно или снизив r или увеличив 6. Увеличение 6 приводит к увеличению диаметра покрышки, а следовательно, к росту массы и стоимости ОПН, что, как правило, неприемлемо. Уменьшение r, может быть достигнуто только применением варисторов большего диаметра. Действительно, при заданном суммарном поперечном сечении варисторов ОПН
(11) увеличение диаметра варисторов (радиуса rв) приводит к уменьшению
(12)
что согласно формуле (7) приводит к уменьшению радиуса эквивалентной поверхности варисторов
(13)
Наименьшую поверхность имеет одиночная колонка варисторов большого диаметра. Действительно, при заданном радиус одиночной колонки варисторов согласно (12)

Согласно (9), (13) паразитная емкость многоколонкового ОПН
(И)
а одноколонкового ОПН
(15)
Отношение этих паразитных емкостей
(16)
при одинаковом зазоре δι=δ пропорционально Например, при отношение

Оценим отношение паразитного тока, протекающего по наиболее нагруженному варистору, к его рабочему току при номинальном напряжении. При номинальном напряжении активная проводимость варисторов настолько мала, что ток через них практически полностью определяется продольной емкостной проводимостью варисторов
(17)
где h — высота одного варистора; FB — суммарная площадь сечения всех варисторов; ε=1660ε0 — диэлектрическая проницаемость варисторов.
Следовательно, рабочий ток через варисторы
(18)
где Eв — рабочая напряженность варисторов.
Отношение паразитного тока через наиболее нагруженный варистор к его рабочему току
(19)
пропорционально отношению пробивного напряжения подсушенной зоны к номинальному фазному напряжению, отношению диэлектрических проницаемостей зазора и варисторов, отношению высоты ОПН к зазору δ, отношению полной эквивалентной поверхности ОПН к площади его поперечного сечения. Вместо двух параметров ∆Uтах/U и Н/δ может быть принят один — отношение максимальной напряженности в зазоре к рабочей напряженности варисторов Етaх/Ев.
При преобразованиях в (19) учтена формула (9) для Сп и введена эквивалентная поверхность ОПН
(20)
Для одноколонкового ОПН П=2rв1Н.
Отношение П|Fв может изменяться в широких пределах при изменении диаметра варисторов.
Отсюда следует, что для уменьшения влияния паразитных токов на варисторы следует по возможности увеличить их диаметр. В наиболее благоприятном случае одноколонкового ОПН отношение
(22)

Таблица 1

Из соотношений (19) следует, что наиболее эффективный способ уменьшить отношение паразитного тока к рабочему току через варисторы — уменьшить высоту ΟΠΗ. Для этого необходимы варисторы, допускающие большие рабочие напряженности, над чем работают все фирмы, выпускающие ОПН.
Значительный эффект может быть получен при уменьшении напряжения Umax, для чего необходимо уменьшить межреберное расстояние, так как подсушенные зоны занимают, как правило, все межреберное пространство. Например, если ограничить межреберные участки (как и участки между фланцами и первым ребром) длиной 3 см, то согласно рис. 3 можно ограничить ∆Umax до 21 кВ, тогда как в настоящее время на фарфоровых покрышках размеры подсушенных зон достигают 8 см и соответственно Д(Umах=37 кВ. Такое значительное уменьшение межреберных расстояний возможно только при переходе к стеклопластиковым покрышкам с полимерным покрытием и толщиной ребер 5—7 мм.
Отношение εп/εв можно уменьшить, применив заливочные композиции (между варисторами и корпусом) с низкой диэлектрической проницаемостью.
Эффективным способом уменьшения отношения Iп/Iв является также уменьшение отношения эквивалентной поверхности варисторов к их суммарному поперечному сечению, что может быть достигнуто увеличением диаметра варисторов.
В табл. 1 приведены зависимости тока через наиболее нагруженные варисторы ОПН-110 от ширины подсушенной зоны, рассчитанные по формуле (19) и полученные экспериментально при U= 70 кВ. Исследования проводились на ОПН-110, состоящем из четырех колонок варисторов высотой H=114 см и имеющем следующие основные параметры: rз=8,1 см; rр=3,5 см; εп=3,6ε0; εв=1180ε0.  В последних столбцах табл. 1 указаны относительные суммарные токи через варисторы (по расчетным и экспериментальным данным).
Удовлетворительное совпадение результатов расчетов и экспериментов позволяет сделать вывод о достаточно правильном воспроизведении условий возникновения паразитного тока.
Использовав изложенную методику расчета, сравним паразитные токи для многоколонкового ОПН в фарфоровой покрышке с варисторами диаметром 28 мм и одноколонковых ОПН в стеклопластиковом корпусе, имеющих площадь сечения варистора, равную суммарной площади сечения варисторов многоколонковых ОПН. Толщина слоя заливочного компаунда во всех ОПН со стеклопластиковой покрышкой принята равной 15 мм.
Поскольку с уменьшением диаметра покрышки уменьшается оптимальное межреберное расстояние, при котором средняя влагоразрядная напряженность наибольшая [4, 5], для всех ОПН со стеклопластиковой покрышкой межреберное расстояние было принято равным 3 см, а у сравниваемых фарфоровых покрышек — примерно 6 см.
Таблица 2

Таблица 3

Основные параметры ОПН и результаты расчетов токов через варисторы приведены в табл. 2 и 3. Как видно из сравнения данных табл. 2, паразитные токи у ОПН с фарфоровой покрышкой примерно в два раза превышают токи через варисторы ОПН в стеклопластиковом корпусе.
Длительные испытания варисторов при периодическом (1 раз за трое суток) увеличении на 50 мин тока синусоидальной формы амплитудой до 0,5—0,52 мА показали, что на скорость увеличения мощности потерь в варисторах такая дополнительная нагрузка не влияет. Поэтому можно считать, что периодическое увеличение тока через варисторы до Im=0,5-:-0,52 мА не уменьшает времени жизни варисторов.
При периодическом увеличении тока до Iт= 1,2 мА скорость увеличения мощности потерь больше, чем для варисторов контрольной партии. При периодическом увеличении тока до Iт= 5 мА все варисторы повредились за 45 суток. Из табл. 3 видно, что токи через варисторы одноколонкового ОПН в стеклопластиковой покрышке не превышают Iт=0,5ч-0,52 мА, в то время как у многоколонкового ОПН в фарфоровой покрышке (табл. 2) токи примерно в два раза больше.

Список литературы

  1. Arresters for substasions limitation of overvoltages in 110—500 kV electric systems / G. N. Aleksandrov, A. I. Bronfman, V. F. Laslo a. o. // CIGRE. 1978. Rep. 33-06.
  2. Schei A., Sparrow L., Stenstrom L. Prelimanary results from long term tests on metall oxide surge arrester at sites with expected heavy pollution. Comparision with artificial pollution test // CIGRE. 1984. Rep. 33-85.
  3. Опыт эксплуатации ограничителей перенапряжений 110—750 кВ / К. М. Антипов, В. Е. Розет, А. С. Сергеев, С. С. Шур // Электрические станции. 1983. № 8.
  4. Prased М., Niklasch Н., Kolosse I. Hochspannungs — StOtzisolatorcn unter natiirlichen Fremdschicht — bedin- gungen // ETZ-A 1974. -H. 2, Bd. 95.
  5. Александров Г. H., Кизеветтер В. Е., Альварес Э. X. Оптимизация формы стержневых изоляторов на основе стеклопластиков // Электричество. 1984. № 12.
Метки: ОПН |
 
« Обслуживание распределительных устройств высокого напряжения   Оптимизация конструкций ОПН с элегазовой изоляцией »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.