Для защиты электрооборудования от атмосферных и внутренних перенапряжений применяются разрядники и ограничители перенапряжений.
Защита от атмосферных перенапряжений (грозозащита) используется для воздушных линий электропередачи и распределительных устройств. Распределительные устройства защищают от прямых ударов молнии и волн атмосферных перенапряжений, набегающих по линиям электропередачи. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью заземленных вертикальных стержневых и тросовых молниеотводов. Защитное действие таких молниеотводов характеризуется пространством вокруг них, которое не поражается грозовыми разрядами и называется зоной защиты Оборудование, всеми точками находящееся в зоне защиты, не поражается молнией. Зона защиты двух стержневых молниеотводов больше, чем удвоенная зона одного молниеотвода. Молниеотводы не требуют ухода, кроме периодической окраски и проверки сопротивления заземления.
Для защиты оборудования распределительных устройств от грозовых волн, набегающих с линий, применяются разрядники, которые ограничивают параметры волны до значений, безопасных для изоляции электрооборудования.
Внутренние перенапряжения разделяются на коммутационные и резонансные. Коммутационные перенапряжения возникают при переходном процессе вследствие изменения режима работы электроустановок, например, при отключении цепей с большой индуктивностью или емкостью, в момент отключения сети при коротком замыкании, при замыкании одной фазы на землю через дугу и т.п. Эти перенапряжения достигают иногда 3-4-кратного значения амплитуды рабочего напряжения установки. Они не превышают испытательных напряжений изоляции электрического оборудования и обычно кратковременны (за исключением дуговых замыканий на землю), поэтому не очень опасны для оборудования.
Резонансные перенапряжения связаны с установившимися резонансными колебаниями в системе.
ВЕНТИЛЬНЫЕ РАЗРЯДНИКИ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ НАДЗОР
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВЕНТИЛЬНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
Рис. 1 Схема включения вентильного разрядника
Рис. 2. Форма импульса напряжения и тока
Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и нелинейный резистор Кнэ, которые включаются последовательно между токоведущим проводом и землей параллельно защищаемой изоляции (рис. 1).
При нормальных условиях работы электроустановки искровой промежуток отделяет токоведущие части от заземления.
При воздействии перенапряжений, превышающих пробивное напряжение искрового промежутка, происходит его пробой, через искровой промежуток и нелинейный резистор начинает протекать сначала импульсный, а затем сопровождающий ток, обусловленный напряжением промышленной частоты. Действующее на изоляцию перенапряжение будет определяться падением напряжения от этих токов на нелинейном резисторе.
Упрощенная диаграмма изменения тока и напряжения на вентильном разряднике при срабатывании его от грозовых перенапряжений показана на рис. 2. При повышении напряжения до уровня пробивного Unp происходит пробой искрового промежутка и начинает протекать импульсный ток, амплитудному значению которого Iн соответствует так называемое остающееся напряжение разрядника Uост.
К основным характеристикам разрядника относятся: номинальное напряжение; пробивное напряжение; импульсное напряжение; остающееся напряжение при частоте 50 Гц; наибольшее допустимое напряжение на разряднике или напряжение гашения U, при котором разрядник надежно гасит дугу сопровождающего тока; номинальный разрядный ток; защитный коэффициент разрядника при импульсном токе с данными амплитудой и длиной фронта.
Напряжение гашения определяется режимом работы вентильного разрядника. Если при грозовых воздействиях произошли одновременно замыкание одной фазы на землю и срабатывание разрядников в других фазах, то напряжение на неповрежденных фазах повышается. Поэтому для разрядников, работающих в сетях с изолированной нейтралью, напряжение гашения принимается равным
- номинальное напряжение. Для разрядников, работающих в сетях с глухозаземленной нейтралью,
i
Защитный коэффициент вентильного разрядника, характеризующий эффективность его работы, определяется соотношением i
Снижение защитного коэффициента достигается, если улучшить дугогасящие свойства промежутка и применить нелинейные резисторы с более пологой вольт-амперной характеристикой.
Искровые промежутки вентильных разрядников должны удовлетворять следующим требованиям: иметь стабильное пробивное напряжение при минимальных разбросах; пологую вольт-секунд ну ю характеристику; не изменять свое пробивное напряжение после многократных срабатываний; гасить дугу сопровождающего тока при первом переходе его через нуль.
Этим требованиям соответствуют многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них приходится около 2 кВ.
Электроды каждого единичного искрового промежутка представляют собой конденсатор небольшой емкости, следовательно, весь искровой промежуток разрядника состоит из последовательно включенных емкостей и емкостей, которые образуются между каждым электродом единичного промежутка и землей.
Напряжение, приложенное к такой емкостной схеме, распределяется неравномерно (примерно так же, как по гирлянде изоляторов). На первых искровых промежутках, считая от провода, присоединяющего разрядник, будет большее напряжение, чем на промежутках, удаленных от провода. Такой характер распределения напряжения имеет место у всех многократных искровых промежутков. Для равномерного распределения напряжения промышленной частоты по искровым промежуткам разрядники снабжаются шунтирующими резисторами, каждый присоединяется параллельно нескольким единичным промежуткам, образующим блок искровых промежутков.
Сопротивление шунтирующих резисторов выбирается таким, чтобы проходящий через них ток промышленной частоты был в несколько раз больше тока, проходящего через емкости схемы. В этом случае распределение напряжения по единичным искровым промежуткам будет определяться величиной активных сопротивлений шунтирующих резисторов.
Напряжение пробоя искровых промежутков разрядника при воздействии атмосферных перенапряжений определяется его вольт- секундной характеристикой, т.е. зависимостью времени разряда от амплитуды импульса перенапряжения. Время разряда - это время от начала воздействия импульса перенапряжения до пробоя искрового промежутка. Для эффективной защиты изоляции вольт-секундная характеристика должна лежать выше вольт-секундной характеристики разрядника, имеющей пологую форму.
В некоторых разрядниках параллельно искровым промежуткам Присоединяются шунтирующие конденсаторы, которые используются как для выравнивания напряжения, так и для регулирования вольт- секундной характеристики искровых промежутков, главным образом при воздействии на них грозовых перенапряжений.
Вентильные разрядники, предназначенные для защиты изоляции от атмосферных перенапряжений, при коммутационных перенапряжениях срабатывать не должны, т.е. их пробивные напряжения при промышленной частоте должны быть выше уровня внутренних перенапряжений.
Нелинейный последовательный резистор должен удовлетворять двум требованиям: в тот момент, когда через него протекает максимальный ток грозового перенапряжения, сопротивление резистора должно быть минимальным (для того чтобы остающееся напряжение на разряднике, определяемое падением напряжения на резисторе, не превышало заданный уровень); при протекании сопровождающих токов нелинейный резистор должен уменьшать их до значений, при которых искровые промежутки будут надежно гасить дугу сопровождающего тока, следовательно, сопротивление резистора должно увеличиваться.
Такими свойствами резкого изменения сопротивления при различных приложенных напряжениях («вентильными» свойствами) обладают материалы на основе карбида кремния, который получается из окиси кремния в результате восстановления ее углеродом при температуре порядка 2000-2500°С, На поверхности зерен карбида кремния образуется запорный слой, обусловленный наличием объемного заряда у поверхности кристаллов, в ряде случаев - пленки окиси кремния. Удельное электрическое сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от плотности тока и градиента приложенного напряжения. При малых напряжениях оно на 6-8 порядков выше удельного сопротивления зерен карбида кремния, поэтому все напряжение прикладывается к запорному слою и он определяет сопротивление нелинейного резистора. При повышении напряжения сопротивление запорного слоя резко падает и уже основная масса карбида кремния будет определять сопротивление нелинейного резистора.
В качестве связующих веществ зерен карбида кремния применяются материалы, не требующие высоких температур отжига, например жидкое стекло. К этой группе материалов относится видит, используются также тераит и тирит.
Нелинейные последовательные резисторы выполняются в виде дисков различного диаметра (до 130 мм) высотой от 10 до 60 мм. Торцевые плоскости дисков металлизируются алюминием.
Шунтирующие резисторы имеют форму дужек различной толщины, которые охватывают искровые промежутки. Концы шунтирующих резисторов металлизированы и имеют отверстия для крепления между собой и присоединения к искровым промежуткам.
Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения - пробой запорного слоя отдельных зерен карбида кремния. Многократное прохождение импульсов тока приводит к полному пробою резистора и разрушению разрядника. Полный пробой резистора наступает тем скорее, чем больше амплитуда и длина импульса тока. Поэтому пропускная способность разрядника ограничена.
Резисторы должны выдерживать без повреждения 20 импульсов тока длительностью 20/40 мкс с амплитудой, зависящей от типа разрядника.
В схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может. Заземления разрядника и защищаемого им оборудования объединяются. Если вентильный разрядник по каким- либо причинам имеет отдельное заземление, величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.
