Ограничители перенапряжений

Ограничение коммутационных и грозовых перенапряжений в электрических сетях повышает надежность работы электротехни­ческого оборудования.

Кроме того, внедрение нелинейных огра­ничителей перенапряжений (ОПН) обусловлено следующими пре­имуществами по сравнению с вентильными разрядниками:

• более низкий защитный уровень для всех видов перенапряже­ний;

• отсутствие сопровождающего тока после воздействия импуль­са перенапряжений (за счет высокой нелинейности);

• высокая удельная энергоемкость;

• низкие эксплуатационные затраты на техническое обслужива­ние (не требуется настроек и регулировок);

• малые габариты и масса.

Нелинейные ОПН не имеют искровых промежутков. Степень нелинейности их рабочих сопротивлений такова, что они выдер­живают длительное воздействие рабочего напряжения, пропуская ток, измеряемый долями миллиампера. При перенапряжениях ток увеличивается до сотен и тысяч ампер, что и приводит к ограниче­нию перенапряжений. Эта особенность ОПН определяет возмож­ность значительно более глубокого ограничения перенапряжений, чем при использовании разрядников.

Ограничители ОПН и ОПНИ отличаются схемой соединения (рис. 2.16, а, б). Ограничители с искровыми промежутками (ОПНИ) ограничивают также межфазные перенапряжения (ОПНИ-500 — до 1260 кВ при токе 1200 А). Длина пути тока утечки изоляции ог­раничителей — не менее 1,8 см/кВ.

Современные ОПН позволяют ограничить коммутационные перенапряжения до уровня 1,8 U_{ф раб.mах} (максимальное фазовое рабочее напряжение), а грозовые перенапряжения — до 2,0— 2,211Uф раб. mах- При таком глубоком ограничении изоляционные рас­стояния на линиях и подстанциях могут быть сокращены, а надеж­ность работы внутренней изоляции всего оборудования высокого напряжения значительно возрастает. Эффективность применения ОПН вместо разрядников продемонстрирована на примере под­станции на напряжение 500 кВ Саяно-Шушенской ГЭС, где ОПН позволили сократить площадь ОРУ 500 кВ вдвое и разместить его в створе р. Карловой вблизи ГЭС.

Вначале ОПН выпускались на базе варисторов диаметром 28 мм, что определило конструкцию ОПН, в которой было много парал­лельных колонок. Освоение производства варисторов большего ди­аметра (45, 60 мм и более) и повышение их качества позволили зна­чительно сократить число параллельных колонок.

В течение десятилетий ОПН выпускались только в фарфоровых корпусах, взрывоопасность которых требовала увеличения диамет­ра корпуса и массы ОПН. Недостатки старых ОПН обусловили поиск других конструктивных решений, в частности переход к кор­пусам из полимерных материалов. При этом значительно умень­шается масса ОПН и достаточно просто обеспечивается их взрывобезопасность.

Центр энергетических защитных аппаратов (ЦЭЗА) Санкт-Пе­тербургского ГТУ производит нелинейные ОПН только в одноко-лонковом исполнении на базе варисторов диаметром от 45—46 мм (для ОПН 3—150 кВ на расчетный ток коммутационных перена­пряжений 300—400 А) до 115 мм (для ОПН 750 кВ, 2000 А).

Большинство типов ОПН выпускается в полимерных корпу­сах (в виде стеклопластикового цилиндра с металлическими оконцевателями), несущих механическую нагрузку, вызываемую собственной массой, внешними воздействиями (гололеда, ветра, подводящих проводов) и ребристым защитным покрытием из кремнийорганической резины, соединенной с корпусом специ­альным составом, обеспечивающим высокую прочность соеди­нения.

Стеклопластиковые цилиндры перфорируются, так как отвер­стия необходимы для выхода газов в случае повреждения варисто­ров. Число и диаметр отверстий подбираются таким образом, что­бы исключить повреждение корпуса при прохождении расчетного тока короткого замыкания (20—40 кА) через ОПН. Эти отверстия заполняются резиной при формовании защитного покрытия, де­лая корпуса герметичными.

Узкая полость между варисторами и корпусом (примерно 2— 2,5 мм), как и пустоты в нижней и верхней частях ОПН, заполняет­ся эластичным герметиком на основе кремнийорганической рези­ны, поэтому ограничитель абсолютно герметичен, следовательно, исключаются искровые перекрытия по внутренней поверхности стеклопластиковой трубы и поверхности варисторов. Это обстоя­тельство значительно повышает надежность работы ОПН, а также увеличивает пропускную способность колонок варисторов.

Высокая механическая прочность стеклопластиковых цилиндров обеспечивает возможность как опорного, так и подвесного испол­нения ограничителей, рассчитанных на все классы напряжения. Наи­более благоприятные условия для их работы в подвесном исполне­нии возникают в том случае, когда корпус ОПН подвергается воз­действию только растягивающих усилий, к которым полимерные материалы чрезвычайно устойчивы. Ограничители с полимерным корпусом обозначаются ОПНп. Они производятся с 1992 г.

Все ОПН на напряжение до 110 кВ выпускаются в цельном кор­пусе высотой до 1050 мм (рис. 2.17, а), свыше напряжения 110 кВ — собранными из отдельных модулей (рис. 2.17, б). Все модули вы­сотой до 1050 мм абсолютню герметичны, транспортируются и скла­дируются отдельно друг от друга. Сборка ОПНп из отдельных мо­дулей производится на месте установки. При этом соединительным элементом является цилиндрическая муфта с внутренней резьбой, которая навинчивается на стыкуемые оконцеватели модулей. Для обеспечения электрического соединения модулей предусмотрен розеточный контакт, надежно изолированный от металлического оконцевателя.

Распределение напряжения вдоль столба варисторов в рабочем режиме выравнивается с помощью тороидальных экранов двух диаметров: большого (со стороны высокого напряжения) и малого (со стороны заземленного конца).

Следует отметить, что размеры экранов зависят от высоты ОПН и не зависят от класса напряжения ОПН. При большой неравно­мерности распределения напряжения вдоль колонки ОПН через варисторы протекает дополнительный емкостный ток, который может вызвать их перегрев и преждевременное повреждение, по­этому распределение напряжения вдоль ОПН обязательно следует выравнивать. Конструкции ОПН на напряжения ПО—500 кВ по­казаны на рис. 2.18.

Ограничители перенапряжений выпускаются нескольких типов на каждый класс напряжения, которые отличаются величиной дли­тельно допустимого рабочего напряжения и расчетного тока ком­мутационных перенапряжений. Полимерная покрышка ОПНп по­зволяет не только значительно снизить его массу, но и облегчить условия работы варисторов, что в конечном счете повышает на­дежность работы ОПНп. Кремнийорганическая резина по своим технологическим и прочностным свойствам (как механическим, так и электрическим) дает возможность создавать ребра малой толщи­ны (примерно 7 мм в основании и 2 мм у конца). Поэтому необхо­димую длину пути тока утечки можно обеспечить увеличенным числом ребер с небольшим вылетом.

Защита устройств электрической тяги ограничителями перенапряжений

Для защиты вентильных обмоток тяговых трансформаторов, диодов и тиристоров выпрямительных и выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций постоянного тока от коммутационных перенапряжений изоляции разработаны и серий­но выпускаются АООТ «НИИЭК» ограничители типа ОПН-ЗУХЛ1 и ОПН-1,5УХЛ1.

Для работы в более сложных условиях существуют ограничи­тели ОПН-3,301, подключаемые к фидерам контактной сети. Они рассчитаны на ограничение мощных коммутационных перена­пряжений, возникающих при отключениях быстродействующими выключателями токов короткого замыкания и способны комму­тировать треугольные импульсы тока амплитудой до 2000 А. По­мимо фидеров тяговых подстанций, такие ОПН устанавливаются на постах секционирования.

Исследования ВНИИЖТ показали, что определяющим факто­ром при выборе пропускной способности ОПН является энер­гия коммутационных перенапряжений, возникающих при пере­ключениях устройств параллельной компенсации реактивной мощности, которая намного выше энергии атмосферных перена­пряжений.

В результате проведенных исследований были сконструирова­ны ограничители типа ОПН-27,5УХЛ 1. Они предназначены для за­мены устаревших разрядников и устанавливаются вместо вентиль­ных разрядников типа РВ-25 и РВМ-35 в распределительных уст­ройствах тяговых подстанций и на автотрансформаторных пунктах; трубчатых — РТФ, РТ, РТВ-35 на фидерах контактной сети, по­стах секционирования, пунктах параллельного соединения, а так­же в КТП-2/25, КТП-400/25; для защиты от перенапряжений пунк­тов группировки переключателей на станциях стыкования.

Применение ОПН на контактной сети позволяет повысить на­дежность изоляции контактной сети за счет снижения уровня гро­зовых перенапряжений, исключить срабатывания фидерных вы­ключателей тяговых подстанций и постов секционирования при грозовых воздействиях и снизить расходы на их обслуживание; со­кратить эксплуатационные расходы на обслуживание ОПН по срав­нению с роговыми и трубчатыми разрядниками на 85—90%.

Ввиду того что не исключена возможность повреждения ОПН (например, током прямого удара молнии, превышающим пропуск­ную способность ОПН), контактная сеть может оказаться зазем­ленной через поврежденный ограничитель. В силу этого пока не накопится опыт эксплуатации и не будут собраны достаточные данные о вероятности повреждений, подключение ОПН к контакт­ной сети производится через роговый разрядник с одним разры­вом, замкнутым медной проволокой диаметром 1,4 мм. Величина зазора между роговыми электродами составляет 10—12 мм на по­стоянном токе и 80—85 мм на переменном токе.

В случае повреждения ограничителя проволока сгорает, и он отключается от контактной сети. При повторном включении кон­тактная сеть остается в рабочем состоянии. Роговый разрядник продолжает осуществлять свои функции по защите, а поврежден­ный ограничитель выявляется при первом осмотре контактной сети.