Выбор и применение ОПН в распредсетях СН - Специальные применения

5. Специальные применения ОПН

5.1. Защита от перенапряжений секций кабеля при переходе воздушной ЛЭП в кабельную

В большинстве случаев необходимо защищать оба конца секции кабеля с помощью ОПН. Для очень коротких секций достаточно защитить кабель только с одной стороны.
Кабель, присоединяющий воздушную ЛЭП к подстанции, подвергается опасности перенапряжениий только со стороны воздушной ЛЭП. Поэтому ОПН должны быть установлены в точке перехода воздушной ЛЭП в кабельную. Второй ОПН с другой стороны кабеля можно не устанавливать, если длина кабеля LK к не превышает значений, указанных в таблице 2.

Рис. 5:      Схема подключения воздушной ЛЭП к подстанции
С другой стороны, оборудование внутри подстанции, подключенное к другому концу этого кабеля, может подвергаться перенапряжениям, вследствие отражения волны от конца кабеля. Это также может привести к необходимости установки ОПН на другом конце кабеля.

Таблица 2: Максимальная длина LK кабеля между подстанцией и воздушной ЛЭП, при которой можно установить только один ОПН

Для оптимальной защиты концевых кабельных муфт и для ослабления бегущей волны, ОПН должны быть установлены непосредственно возле концевых кабельных муфт. Кабели, соединяющиеся с ОПН (включая проводник заземления!), должны быть, как можно короче для снижения возможного напряжения в петлях проводника. Кабельная оболочка или экран должны быть присоединены к заземлению ОПН.
Для кабелей, установленных между двумя секциями воздушной ЛЭП, часто достаточно установить ОПН только с одной стороны, хотя импульсы перенапряжения могут приходить с обеих сторон. В этом случае защита, которую обеспечивает ОПН от перенапряжений, входящих с незащищенной стороны, существенно ослаблена. Поэтому, предлагаемая схема с одним ОПН рекомендуется только при очень коротких длинах кабеля.

Рис. 6: Короткая кабельная вставка в воздушной сети
Если кабель смонтирован, как часть воздушной ЛЭП на деревянных опорах (см. таблицу 3), защитная зона чрезвычайно мала. В этой схеме "естественная защита от перенапряжений" (см. выше) предлагаемая изоляторами в случае прямого удара молнии, очень ограничена. Значения для LK, приведенные в таблице для ОПН, относятся к ОПН с номинальным током разряда In = 10 кА, при условии, что волновое сопротивление неизменно вдоль всей секции кабеля. Кабельные ответвления и другие точки отражения приводят к дальнейшему сокращению LK .

Таблица 3: Максимальная длина LK кабеля между двумя секциями воздушной ЛЭП с односторонней защитой (длина соединяющих проводников между ОПН и кабелем макс. 1 м)

5.2 Трансформатор в конце кабеля

Если длина LK кабеля превышает значения, данные в таблицах, то необходим второй ОПН. Следующий вопрос, до какой степени второй A2 защитит понижающий трансформатор. Здесь решающее значение имеет расстояние между ОПН и трансформатором.

Рис. 7:               Второй разрядник, установленный между кабелем и трансформатором
В следующем примере, трансформатор подключен к воздушной ЛЭП, подверженной грозовым перенапряжениям, через кабель длиной LK свыше 100 м. Как объяснено выше, ОПН необходим и в точке перехода воздушной ЛЭП в кабельную, и в конце кабеля.
ОПН A1 служит, как защита для стороны проводника, ОПН A2 ограничивает перенапряжения, вызванные отражением в конце кабеля. ОПН связаны непосредственно с наконечниками кабеля.

Таблица 4: Максимально допустимое расстояние a между концом кабеля и трансформатором, когда второй ОПН установлен непосредственно в конце кабеля

В этой схеме, если расстояние а не превышает значений, приведенных в таблице 4, трансформатор будет достаточно защищен ОПН A2. Предполагается, что емкость трансформатора составляет 2 нФ. Меньшие значения емкости увеличивают максимально допустимое расстояние.

5.3. Трансформатор непосредственно подключен к воздушной ЛЭП, подверженной грозовым перенапряжениям только с одной стороны

Вообще, только трансформатор, подключенный к воздушной ЛЭП, подверженной грозовым перенапряжениям, нуждается в установке ОПН для защиты от перенапряжений. Особый случай, когда высоковольтный трансформатор связывает высоковольтную сеть с сетью среднего напряжения, и при этом считается, что только высоковольтная сеть подвержена опасности грозовых перенапряжений. При определенных обстоятельствах, также может потребоваться защита от перенапряжений и на стороне среднего напряжения.
Поскольку грозовые перенапряжения - очень быстрые процессы, приблизительно 40 % первоначальной амплитуды перенапряжения может емкостным путем перейти на сторону среднего напряжения через трансформатор. Для того, чтобы ограничить эту проблему, соответствующие инструкции рекомендуют на стороне среднего напряжения установить длинный кабель, низкоиндуктивный конденсатор, или рекомендуют комбинацию из эти двух способов. Альтернативное решение, использующее ОПН, имеет два явных преимущества:

1. Индуктивно переданные перенапряжения могут быть увеличены конденсаторами. Ограничение величины дополнительного напряжения требует тщательного подбора демпфирующего резистора. В решении, использующем ОПН без искровых промежутков, этот эффект даже не должен рассматриваться.
2. Пробой изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора может привести к тому, что первичное напряжение попадет на сторону среднего напряжения и приведет к дополнительному повреждению оборудования. Если ОПН были установлены для защиты стороны среднего напряжения, они могут быть разрушены, и вызовут короткое замыкание. Разрядник "жертвует" собой, чтобы защитить остальное оборудование, и повреждения будут ограничены только трансформатором. Поскольку разрядники фактически разработаны с учетом того, что они могут разрушаться в экстремальных условиях, последствия этой жертвы обычно менее серьезны, чем разрушение других устройств, таких, как конденсаторы.

Преимущества ОПН особенно очевидны в случае трансформатора, связывающего высоковольтную сеть с генератором.
Подобная ситуация справедлива и для трансформатора, соединяющего
сеть среднего напряжения с низковольтной сетью. Здесь также грозовые перенапряжения емкостным путем могут передаваться от сети среднего напряжения на низковольтную сторону. Вот почему ОПН на низковольтной стороне рекомендуются даже в том случае, когда только сторона среднего напряжения подвержена опасности удара молнии.
Могут ли, и до какой степени, низковольтные ОПН защитить трансформатор от удара молнии на низковольтной стороне, является дискуссионным вопросом. Большинство специалистов считают, что эта защита является совершенно достаточной. Однако, снова и снова поступают сообщения о повреждении трансформаторов, которые не могут быть отнесены к грозовым перенапряжениям на стороне низкого напряжения. В этих случаях можно предположить, что эти, относительно медленные перенапряжения в виде переходных импульсов индуктивно передаются на сторону среднего напряжения трансформатора, при этом амплитуда их возрастает пропорционально коэффициенту трансформации до величины, при которой может пробиться изоляция трансформатора. В регионах с высокой грозовой активностью желательно установить разрядники с обеих сторон, даже, когда опасности грозовых перенапряжений подвержена только низковольтная сторона.

5.4. ОПН в закрытых элегазовых распредустройствах среднего напряжения

Специальные ОПН внутренней установки монтируют непосредственно возле концевых кабельных муфт. Они обычно используются для защиты элегазовых распределительных подстанций среднего напряжения. Если ячейка подстанции связана с воздушной ЛЭП, подверженной опасности удара молнии, номинальный ток разряда этих ОПН должен быть 10 кА, Класс 1. Это условие должно соблюдается даже, если 10 кА ОПН уже установлен в точке перехода между воздушной ЛЭП и кабелем. Если секция кабеля достаточно длинная, в подстанции можно установить ОПН на 5 кА, потому что ожидаемый остающийся ток разряда уменьшается с увеличением длины кабеля, и ОПН в точке перехода воздушной ЛЭП в кабельную будет брать большую часть тока разряда на себя.
Если ОПН требуется только для того, чтобы ограничить коммутационные перенапряжения, например, в кабельных сетях, ОПН на ток 5 кА вполне достаточен, потому что ожидаемые токи разряда относительно небольшие.
Минимальные расстояния, указанные изготовителем между ОПН, а также между ОПН и заземленными элементами подстанций, должны выдерживаться. Любые изменения должны утверждаться только после соответствующих испытаний уровня изоляции.

5.5. Генератор присоединен к линии среднего напряжения, подверженной грозовым перенапряжениям

Если генератор, находящийся под нагрузкой, внезапно отключить от сети, напряжение генератора мгновенно повысится, пока стабилизатор напряжения не подкорректирует его. Отношение этого временного перенапряжения к нормальному рабочему напряжению называют коэффициентом сброса нагрузки 9. Величина его может достигать 1.5. Время воздействия его t лежит в пределах от 3 до 10 s. Рабочее напряжение Uc ОПН выбирается поэтому на основании этих двух величин, как описано в главе 3.3.

для ОПН между фазой и землей
5.6. Защита двигателей от перенапряжений
Если высоковольтный двигатель отключить в момент пуска, он подвергается опасности перенапряжения из-за многократного повторного зажигания дуги в выключателе. Повторное зажигание дуги происходит наиболее часто, если ток в выключателе менее 600 A. Чтобы защищать двигатели, ОПН должны быть установлены непосредственно на зажимах двигателя или непосредственно на выключателях. ОПН должны выбираться в соответствии с рекомендациям, изложенными в разделе 3.

5.7. Защита кабельной оболочки высоковольтных кабелей

По тепловым причинам и с целью уменьшения потерь в кабеле, кабельная оболочка или экран высоковольтных кабелей заземляются только с одного конца. Незаземленный конец должен защищаться от наведенных перенапряжений с помощью ОПН.
Критическим критерием для выбора ОПН является напряжение U , наведенное в кабеле в случае короткого замыкания. Это напряжение зависит от конструкции кабеля и условий его прокладки в кабельном канале, но в общем оно не превышает 0.3 кВ на 1 кА тока короткого замыкания и 1км длины кабеля. Рабочая точка, определяемая величиной наведенного напряжения и и длительностью протекания тока короткого замыкания t, должна лежать ниже характеристики устойчивости, чтобы гарантировать правильность выбора ОПН.

Рис. 8: Наведенное напряжение ut в кабельной оболочке или экране на1 кА тока короткого замыкания и 1 км длины кабеля в зависимости от конструкции кабеля
для ОПН между оболочкой или экраном и землей

Где Ik - максимальный ток короткого замыкания, и L - длина незаземленной секции кабеля.

5.8. Mеталлоксидные ОПН для сети постоянного тока

В сетях постоянного тока удары молнии или переключения также могут вызывать перенапряжения, которые повредить машины и оборудование. До настоящего времени пока не было опубликовано ни одного международного стандарта или инструкции по установке ОПН в этих сетях. Тем не менее, ОПН могут успешно использоваться в таких сетях, чтобы защитить оборудование. Mеталлоксидные ОПН без искровых промежутков идеальны для данного применения потому, что в них отсутствует сопровождающий ток, который в сетях постоянного тока убирается с большим трудом.
Из-за разного воздействия напряжения на блоки резисторов, ОПН, предназначенные для систем переменного напряжения, не могут использоваться в системах постоянного тока. Очень важно, чтобы применение специальных ОПН в системах постоянного тока подтверждалось изготовителем. С ним же нужно консультироваться и по поводу габаритных размеров ОПН.

6. Консультация по вопросам применения ОПН

Многочисленные дискуссии с пользователями подтвердили, что они приветствуют частые консультации по применению ОПН. Типичный случай, где опытная поддержка может быть критическая - запланированное изменение технологии, переход от разрядников с искровым промежутком и керамическими корпусами к MO ОПН с корпусом из полимера. Правильные размеры ОПН, когда существующий завод модернизируется - другой актуальный случай. Новые применения в сетях постоянного тока или развитие концепции по защите от перенапряжений целых систем часто требуют глубокого анализа как начальной ситуации, так и общих требований.
Поэтому мы предлагаем нашим покупателям всестороннюю поддержку и консультационные услуги по всем вопросам защиты от перенапряжений. К сожалению, возможности данного документа не позволяют охватить все вопросы, которые должны приниматься во внимание.