Мета роботи. вивчити конструкцію і основні характеристики обмежувачів перенапруги, які застосовуються для захисту електрообладнання від грозових і внутрішніх перенапруг.
Поки основним засобом захисту електрообладнання від грозових перенапруг є вентильні розрядники, які використовуються на всіх підстанціях 35 кВ і вище, якщо до них підходять повітряні лінії.
Основний недолік вентильних розрядників пов'язаний з тим, що резистори на основі карборунда володіють порівняно невисокою нелинейностью. На рис. 1 наведено порівняння вольт-амперних характеристик розрядників різних груп.
Рис.1. Вольт-амперні характеристики розрядників РВП-10 кВ, РВМ-10 кВ і РВТ-10 кВ
Порівняння характеристик показує, що чим краще розрядник, тим нижче залишається напруга Uост. але тим більше струм гасіння, який повинен розірвати розрядник. Зниження залишається напруги досягається ціною значного ускладнення і подорожчання іскрових проміжків.
Розроблені в 70-і роки в СРСР і за кордоном резистори на основі окису цинку (ZnO) мають значно більшу нелинейностью, ніж резистори на основі карборунда. Це дозволило створити новий тип захисного апарату без іскрового проміжку (рис.2) - нелінійний обмежувач перенапруг (ОПН).
Оксидно-цинкова (металооксидних) кераміка - це нелінійний матеріал, що отримується в результаті високотемпературного випалу (1280-1300 0 С) суміші складається з окису цинку (ZnO) і деякої кількості оксиду іншого металу: вісмуту, сурми, кобальту, марганцю тощо . (Маса найвагомішою з добавок становить менше 4% маси оксиду цинку). Коефіцієнт нелінійності оксидно-цинкової кераміки становить # 945; = 0,02-0,16 і залежить від поєднання добавок до оксиду цинку і від температури випалу матеріалу.
Рис.2. Захист електрообладнання підстанції обмежувачем перенапруг
Така висока нелінійність обумовлює пригода при робочій напрузі через нелінійні резистори струму порядку часткою міліампера, що дозволило виключити іскровий проміжок і підключити резистор ОПН безпосередньо до мережі (рис.2). Такий струм безпечний для резистора.
Стосовно до гострої ниркової недостатності відсутні поняття напруги спрацьовування і напруги гасіння. Коли напруга на ОПН збільшується, то струм через обмежувач безперервно зростає без затримки згідно вольт-амперної характеристики (рис.5). Пробою не відбувається, резистори поступово переходять в провідний стан. Коли перенапруження загасає, ток знову зменшується відповідно до характеристики і гасіння супроводжуючого струму не спостерігається.
Обмежувачі перенапруг ОПНІ забезпечують обмеження як фазних, так і міжфазних перенапруг (рис.3) .В нормальному режимі кожен резистор НР1-НР2 включений на фазну напругу. При комутаційних перенапруженні, які несиметричні, пробиваються іскрові проміжки. Внаслідок цього резистори НР2 з'єднуються паралельно, а резистори НР1 включають попарно на міжфазні напруги. З відновленням нормального режиму, ток в іскрових проміжках знижується до міліампер і дуга в них гасне.
Рис.3. Схема включення обмежувача ОПНІ
Обмежувачі перенапруги мають ряд переваг в порівнянні з розрядниками:
- обмежують грозові і комутаційні перенапруги (більшість розрядників тільки грозові);
- нижче рівень обмеження перенапруг (грозових до 2,0-2,4 Uф. комутаційних до 1,65-1,8 Uф);
- обмежувачі ОПНІ можуть обмежувати міжфазні напруги;
- великі пропускні струми.
Основні характеристики обмежувачів перенапруг.
1. Клас напруги - номінальна напруга мережі, в якій встановлюється розрядник.
2. Номінальний розрядний струм - це амплітудне значення імпульсу струму тривалістю 8/20 мкс, який використовується для класифікації обмежувача.
3. Найбільше тривало допустима робоча напруга (Uндр) - це найважливіший параметр для обмежувачів перенапруг. У ОПН немає іскрового проміжку, тому через резистор ОПН струми течуть постійно. Щоб не сталося теплового руйнування ОПН потрібно правильно вибрати Uндр.
Для мережі з ефективно заземленою нейтраллю (k<1,4) Uндр определяется по формуле
де множник 1,05 є 5% запасом;
Uм - максимальна напруга мережі Uм = Uн.
Наприклад, для ОПН -110 кВ отримаємо Uндр ³73 кВ.
Мережі 6-35 кВ працюють з ізольованою або заземленою через реактор нейтраллю. Однофазное замикання в таких мережах негайно не вимикається і напруга на здорових фазах зростає до лінійного. Тому в мережах з ізольованою або заземленою через реактор нейтраллю Uндр визначається за формулою
Наприклад, для ОПН-10 кВ отримаємо Uндр ³ 12 кВ.
4. Вольт-тимчасова характеристика.
Найбільше тривало допустима робоча напруга безпечно для ОПН. Однак комутаційні і резонансні перенапруги перевищують цю величину. Стійкість ОПН до короткочасних перенапруг можна визначити по вольт-часовою характеристикою обмежувача. На рис.4 наведена вольт-тимчасова характеристика ОПН-110 кВ.
Рис.4. Вольт-тимчасова характеристика ОПН-110 кВ
Якщо кратності перенапруг перевищують розрахункові, то вони повинні бути скоординовані з дією релейних захистів.
5. Залишається напруга.
Іншими важливими параметрами ОПН є залишаються напруги. які повинні бути узгоджені з вольт-секундної характеристикою захищається електрообладнання. Залишається напруга - це напруга на ОПН при проходженні через нього розрядного струму. Воно, як і у вентильного розрядника, визначається по вольт-амперної характеристики нелінійного резистора і залежить від величини, а також від форми хвилі розрядного струму. На рис.5 для порівняння наведені вольт-амперні характеристики РВТ-10 кВ і ОПН-10 кВ.
Рис.5. Вольт-амперні характеристики РВТ-10 кВ і ОПН-10 кВ
6. Захисна характеристика обмежувача
Рівень захисту вентильного розрядника визначається вольт-секундної характеристикою, яка будується відповідно до характеристики пробою іскрового проміжку і вольт-амперної характеристикою нелінійного резистора. У ОПН немає іскрового проміжку, тому рівень захисту ОПН визначається тільки вольт-амперної характеристикою нелінійного резистора.
Захисна характеристика обмежувача - це комбінація залишаються напруг на резисторі ОПН для імпульсів різної форми. Захисну характеристику досить описати трьома видами імпульсів струму: грозовий імпульс з крутим фронтом (1/20 або 1/40 мкс), грозовий імпульс (8/20 мкс) і комутаційний імпульс (наприклад, 30/60 мкс). Захисна характеристика обмежувача повинна лежати нижче характеристики рівня ізоляції електрообладнання у всьому діапазоні хвиль.
7. Коефіцієнт нелінійності резистора.
Коефіцієнт нелінійності резистора визначається за формулою:
де U1. U2 - напруги сусідніх точок на графіку (рис.5);
1. I2 - струми в цих же точках.
Коефіцієнт нелінійності оксидно-цинкової кераміки становить
a = 0,02-0,16 (для комутаційних імпульсів a = 0,03-0,05, для грозових - a = 0,07-0,16).
Нелінійність резистора ОПН значно вище нелінійності резистора розрядника. Це наочно показано на рис.6, де наведені ом-амперні характеристики ОПН-10 кВ і РВТ-10 кВ. Чим ширше діапазон зміни опору, тим вище нелінійність резистора.
Рис.6. Ом-амперні характеристики ОПН-10 кВ і РВТ-10 кВ
8. Пропускна здатність ОПН.
На жаль, резистор ОПН не довговічний. При кожному струмовому впливі в нелінійному резисторі виділяється велика кількість енергії. Сумарну енергію, вплив якої нелінійний резистор здатний витримати без руйнування, називають пропускною спроможністю ОПН. Нормоване число впливів граничним допустимим струмом звичайно дорівнює двадцяти.
Допустимий струм сильно залежить від форми імпульсу і його тривалості. Причому чим більше тривалість імпульсу, тим менше допустимий струм. У довідниках зазвичай вказують два значення: для грозового імпульсу і для струму промислової частоти.
Наприклад, ОПН-10 кВ може витримати 20 імпульсів 1200/2500 мкс по 280 А або 20 грозових імпульсів 8/20 мкс по 5 кА (або 2 імпульсу 8/20 по 15 кА).
Емпірична залежність між амплітудою (I) імпульсу і його тривалістю (tв) описується рівнянням
де m- постійна (для ОПН m = 0,6-0,65).
Рис.7. Емпірична залежність пропускної здатності ОПН-10 кВ
(Для 20 імпульсів)
При багаторазовій дії великих струмів різної тривалості на резистори відбувається їх старіння. Воно проявляється в збільшенні залишається напруги у всьому діапазоні струмів (тобто зміщення вольт-амперної характеристики вгору) і збільшенні струму провідності.
Диски ОПН поміщаються в герметичний корпус, що захищає їх від вологості. Обмежувачі перенапруг, які випускалися в СРСР (і Росії) в 80-90-і роки, всі були в порцелянових корпусах і мали однакові резистори діаметром 28 мм і висотою 10 мм. Для зручності складання ОПН були розділені на кілька однакових блоків, які встановлювалися один на інший. Кожен блок складався з декількох паралельних колонок резисторів. Наприклад, в ОПН-110 колонок було 4, а в ОПН -750 - 30. Причому колонки в блок підбиралися так, щоб вони мали однакові струми при фазному напрузі і однакові залишаються напруги при грозовому імпульсі.
Для поліпшення тепловіддачі, простір між резисторами і фарфорового покришкою заповнюється сухим кварцовим піском.
Для вирівнювання напруги вздовж блоків ОПН, починаючи зі 110 кВ, застосовуються кільцеві трубчасті екрани.
В даний час корпусу обмежувачів перенапруг виконуються, в залежності від місця розташування і області застосування, з електротехнічного фарфору, поліуретану або з кремнеорганічною гуми (рисунку 8 і 9).
Рис.8. Конструкція ОПНС-10 кВ в фарфоровому корпусі
Рис.9. Конструкція ОПН-6 кВ в корпусі з кремнеорганічною гуми
Полімерні корпусу забезпечують вибухобезпечність обмежувачів перенапруг, оскільки навіть при розриві їх полімерної покришки не утворюють розлітаються шматків, як при вибуху обмежувача в фарфоровому корпусі. Кремнеорганічною гума стійка до забруднень.
ОПН в порцелянових корпусах зараз постачають мембраною. У разі пошкодження дисків і надмірному збільшенні тиску газу відбувається розрив мембрани, що попереджає розрив корпусу.
В даний час резистори мають різні розміри: діаметри 41, 51, 61 і 76 мм, товщину від 22 до 35мм. Це дозволяє отримувати обмежувачі з різною пропускною здатністю.
Після виконання роботи необхідні скласти звіт, який повинен містити:
a) назву роботи та її мету;
б) відомості про досліджуваних обмежниках ОПН-110 кВ та ОПН-10кВ;
Практична робота №4