Выбор и применение ОПН в распредсетях СН

Energy Division
Металлооксидные ограничители перенапряжения
Выбор ограничителей перенапряжения и их применение в распределительных сетях среднего напряжения

1. Введение

Оборудование электрических сетей подвергается многим опасным воздействиям. Одна из главных опасностей - перенапряжение. Высокая стоимость электрооборудования не позволяет проектировать его с изоляцией, которая выдержала бы любые перенапряжения. По своей природе эта опасность не может быть устранена полностью, но ее можно уменьшить. По этой причине, подход к решению проблемы состоит в том, чтобы встраивать защитные устройства в сеть. Этот метод оказался наиболее рентабельным и надежным. Метод применяется в сетях высокого, среднего напряжения, а также в сетях напряжением до 1 кВ.
Наибольшую опасность для оборудования представляют импульсные перенапряжения. Они возникают вследствие атмосферных разрядов и коммутаций в сети. Использование ограничителей перенапряжения (ОПН) является наиболее эффективной защитой от этих перенапряжений. ОПН устанавливается в непосредственной близости от защищаемого оборудования, и действует как шунт для импульса перенапряжения.
Величина перенапряжения обычно определяется в условных единицах «р.и.». Эта единица определяется как

где Um - максимальное действующее значение линейного напряжения при нормальном режиме работы сети. Фактическое напряжение сети обычно меньше, чем Um.

Таблица 1: Значение 1p.u. для различных значений Um
В дополнение к импульсным перенапряжениям, электрические сети также испытывают кратковременные перенапряжения. Как правило, это перенапряжения промышленной частоты, вызванные изменениями в режиме работы сети.
Таким образом, перенапряжения в сетях могут быть разделены на следующие категории:

1. Кратковременные перенапряжения промышленной частоты
2. возникают, например, при отключении нагрузки или при коротком замыкании на землю. Их продолжительность может находиться в пределах от 0,1 секунды до нескольких часов. Обычно их амплитуда не превышает V~3 p.u., так что они, как правило, не представляют угрозы для оборудования. Тем не менее, они являются критическим фактором для правильного выбора ОПН.

Ферромагнитный резонанс в трансформаторе может также привести к очень высоким перенапряжениям, в основном сетевой частоты. ОПН(ы) защищают изоляцию трансформатора от повреждений, вызванных такими резонансными явлениями. Однако сами ОПН при этом будут перегружены и могут выйти из строя вследствие перегрева. Современные трансформаторы с малыми потерями, подключаемые на ненагруженную кабельную линию, особенно часто вызывают ферромагнитный резонанс, который разрушает ОПН.

1. Коммутационные перенапряжения
2. происходят во время переключений и представляют собой быстро затухающие колебания. Частота колебаний часто достигает нескольких кГц, а амплитуда может доходить до 3 p.u.

Крутые импульсы с более высокой амплитудой могут появиться при переключениях в сетях с большими индуктивными нагрузками. Здесь длительность фронта импульса перенапряжения находится в пределах от 0,1 до 10 мкс, а амплитуда может достигать 4 p.u.
Включение и отключение нагруженных кабельных или воздушных ЛЭП может также вызывать перенапряжения. Так как их амплитуда обычно ниже 2,2 p.u., то они не представляют опасности для сети. Однако, критические значения до 7 p.u. могут появиться, если разъединитель работает слишком медленно, и в этом случае может возникнуть повторное зажигание дуги между его контактами.
В самом широком смысле, коммутационные перенапряжения также включают импульсные перенапряжения, вызванные начальным моментом замыканий на землю или между фазами, при этом амплитуды обычно имеют небольшие значения. С другой стороны, если они происходят через малые промежутки времени (перемежающиеся замыкания на землю), то их частое повторяющееся воздействие может привести к разрушению ОПН вследствие перегрева.

1. Грозовые перенапряжения
2. возникают вследствие атмосферных разрядов. Прямой удар молнии вызывает особенно мощные перенапряжения с амплитудой до нескольких Мегавольт. Как правило, эти мощные импульсы не достигают оборудования, потому что изоляторы, установленные на ЛЭП перекроются дугой, обеспечивая тем самым естественную защиту от перенапряжений. В сети среднего напряжения амплитуда, остающаяся после того, как такие изоляторы перекрываются, может достигать значения до 10 p.u.

Удар молнии в защитный трос ЛЭП также вызывает перенапряжения в проводах. Эти наведенные перенапряжения достигают амплитудных значений через несколько микросекунд и затем быстро затухают. При этом, амплитудные значения в сетях среднего напряжения достигают 10 p.u.
Грозовые перенапряжения представляют самую большую угрозу для сетей среднего напряжения. Защита должна быть построена таким образом, чтобы ограничить перенапряжения до безопасных для электрооборудования величин. В то же время выход из строя ОПН, например от перегрузки, должен вызывать минимум неизбежных при этом повреждений.