учебное пособие. Учебное пособие ТВН. Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки Электроэнергетика и электротехника

• Название: Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки Электроэнергетика и электротехника
• Анкор: учебное пособие
• Дата: 23.05.2022
• Размер: 5.05 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие ТВН.doc
• Тип: Учебное пособие; #544213
• страница: 13 из 16

Таблица 3.2.1

Соотношение напряжения срабатывания и расстояния внешнего искрового промежутка

Un, кВ	3	6	10	35	110	220
S2, мм	8	10	15	100	400	500

Величина остающегося напряжения (кривые 1 и 2, рис.3.2.3) определяется, в основном, сопротивлением заземления разрядника R_з, которое должно быть, по возможности, малым. По нормам R_з 10 Ом, тогда при Z=400 Ом имеем U_ост 0,05U_n.


Для успешного гашения дуги необходима определенная интенсивность газообразования, поэтому существует нижний предел отключаемых токов I_min, при которых разрядник еще может погасить дугу в течении 1-2 полупериодов. Верхний предел отключаемых токов I_maxтакже ограничивается, так как слишком интенсивное газообразование может привести к разрушению (разрыву) разрядника. Диапазон отключаемых токов указывается в обозначении разрядника: например, РТВ означает трубчатый разрядник винипластовый на 35 кВ с пределами токов 0,5…2,5 кА.

Выбор трубчатых разрядников производится по номинальному напряжению сети и пределам токов короткого замыкания (КЗ) сети в точке установки РТ. Максимальный ток КЗ рассчитывают при условии включения всех элементов сети (линии, трансформаторы, генераторы) с учетом апериодической составляющей тока КЗ, минимальный ток – при схеме сети с частично выключенными элементами (например, для капитального ремонта) и без учета апериодической составляющей. Найденные пределы тока КЗ должны укладываться в пределы отключаемых токов трубчатого разрядника.

Трубчатые разрядники выпускаются на напряжение от 3 до 220 кВ, отключаемые токи лежат в пределах от 0,2…7,0 и 1,5…30 кА при напряжении 3…35 кВ до 0,4…7,0 и 2,2…30 кА при напряжении 110 кВ.

Основным недостатком трубчатых разрядников являются: наличие зоны выхлопа; крутой срез волны перенапряжения; замыкания (хотя и кратковременные) линий на землю, и особенно – крутая вольт-секундная характеристика, исключающая возможность широкого применения РТ в качестве аппарата защиты подстанционного оборудования.

Недостатком РТ является также наличие предельных отключаемых токов, что осложняется их производство и эксплуатацию.

Благодаря своей простоте и низкой стоимости трубчатые разрядники применяются в качестве вспомогательных средств защиты подстанций, а также отдельных участков линий. Следует, однако, отметить, что в последнее время применение трубчатых разрядников все более ограничивается, и есть предпосылки, что в сетях РБ скоро их не останется вовсе (по последним данным уже не осталось)

3.2.1.2. Вентильные разрядники
Вентильные разрядники являются основными аппаратами в схемах защиты изоляции электрооборудования станций и подстанций.

Вентильный разрядник, например, РВС (стационарный) (рис.3.2.4) состоит из системы соединенных последовательно искровых промежутков ИП и варистора (нелинейного сопротивление). Сопротивление варистора зависит от приложенного напряжения, поэтому его вольтамперная характеристика (и соответственно разрядника в целом) также нелинейная (рис.3.2.5).

Работает вентильный разрядник следующим образом. Когда мгновенное значение волны перенапряжения U_nна разряднике достигает импульсного пробивного напряжения искровых промежутков, они пробиваются. Сопротивление разрядника при этом мало, и через него протекает значительный по величине импульсный ток I_p, который и определяет напряжение на разряднике. Наибольшее напряжение на разряднике при максимально допустимом импульсном токе через него I_{u, max} называют остающимся напряжением U_ост. Это напряжение должно быть на 20…25% меньше импульсной прочности защищаемой изоляции. После прохождения импульсного тока через разрядник начинает протекать сопровождающий ток промышленной частоты I_сопр, обусловленной рабочим напряжением сети. Так как это напряжение значительно ниже амплитуды импульса перенапряжения, то сопротивление варистора резко возрастает, и величина сопровождающего тока ограничивается до величины, при которой дуга, разбитая в искровых промежутках на большое число отдельных дужек небольшой длины, гасится при первом же переходе сопровождающего тока через нуль.


Наибольшее действующее значение напряжения гашения дуги U_гаш, при котором надежно обрывается проходящий через разрядник ток, называемый током гашения I_гаш, должно быть выше максимально возможного напряжения на разряднике в момент гашения дуги, иначе разрядник может не погасить дугу сопровождающего тока при первом прохождении его через нуль и выйдет из строя.

,

где U_ном - номинальное линейное напряжение; К_з - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; К_з = 0,8 или 1,1 для установки с заземленной и изолированной нейтралью соответственно.
Важной характеристикой вентильных разрядников является коэффициент защиты

.

Так как U_гашзависит от U_ном установки, то К_защ определяет значение U_ост разрядника, т.е. требуемый уровень изоляции. Снижение уровня изоляции при сохранении надежности защиты ее с помощью РВ может быть достигнуто путем применения разрядников или ОПН с более пологой вольтамперной характеристикой (рис. 3.2.5, кривые 2,4) или путем увеличения тока гашения за счет улучшения дугогасящих свойств искровых промежутков (кривая 3).

Искровые промежутки вентильных разрядников делаются многократными, т.е. состоящими из большего числа последовательно соединенных единичных промежутков. Простейший единичный промежуток (рис. 3.2.6) состоит из двух латунных электродов 1, разделенных изолирующей шайбой 2. Электрическое поле между электродами близко к однородному, поэтому промежуток пробивается при коэффициенте импульса, близком к единице. Количество единичных промежутков в разряднике устанавливают из расчета примерно 1 промежуток на 1 2 кВ фазового номинального напряжения разрядника.



Таким образом, дуга сопровождающего тока оказывается разбитой на ряд дуг малой длины, что обеспечивает при токах I_сопр до 100 А надежное гашение дуги. Применяются такие промежутки в разрядниках РВП и РВС. При сопровождающих токах свыше 100 А применяются промежутки с подвижной дугой.

Такой промежуток (рис. 3.2.7) представляет собой зазор между кольцом 1 и диском 2. Дуга 3, горящая между этими электродами, в результате взаимодействия с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом 4, перемещается с большой скоростью по кольцевому зазору, что обеспечивает ее гашение. Указанные промежутки надежно гасят дугу при I_сопр до 250…300 А.

Принцип действия искровых промежутков с растягивающейся дугой показан на рис. 3.2.8. Два электрода 1 располагаются между стенками дугогасительной камеры 2 в магнитном поле Н. в таком поле на дугу 4 сопровождающего тока действует сила F, в результате чего дуга перемещается и растягивается между перегородками 3 камеры 2, стремясь занять конечное положение 4, охлаждается и гаснет. Стенки камеры 2 изготавливаются из дугогасительной керамики. Промежутки с растягивающейся дугой применяются в разрядниках РВТ и РВРД.

Для увеличения пробивного напряжения разрядников при промышленной частоте и облегчения гашения дуги сопровождающего тока распределения напряжения по искровым промежуткам должно быть равномерным. Для этого искровые промежутки шунтируют резисторами R (рис.3.2.4), сопротивление которых выбирают так, чтобы через них протекал ток, превышающий в несколько раз емкостный ток искровых промежутков.

Рабочие сопротивления (варисторы) r разрядников РВС, РВП изготавливаются из порошка электротехнического карборунда SiC. На поверхности зерен карборунда имеется тонкий запорный слой из окиси кремния SiO₂.

Удельное сопротивление зерен карборунда невелико – порядка 10^-2 Омм, а сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях (небольших напряжениях на варисторе) удельное сопротивление запорного слоя составляет 10⁴…10⁶Омм, все приложенное напряжение падает при этом на запорный слой, который и определяет сопротивление варистора.

При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает, и величина сопротивления варистора начинает определяться сопротивлением собственно карборунда. Нелинейное сопротивление вентильных разрядников выполняется в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В настоящее время применяются диски из вилита и тервита. Для изготовления вилитовых дисков в качестве связующего применяется жидкое стекло. Это позволяет спекать диски при сравнительно низкой температуре (около плюс 300 С). Тервитовые диски при изготовлении обжигаются, при температуре свыше плюс1000 С. При этом часть запорных пленок выгорает, что повышает пропускную способность материала, но уменьшает степень нелинейности.

Вентильные разрядники разделены на четыре группы.

К 1 группе отнесены разрядники с наилучшими защитными свойствами, т.е. имеющие наименьшее значение остающегося напряжения. К этой группе относятся разрядники серий РВТ и РВРД. Затем следуют разрядники 2 группы – серии РВМ, разрядники 3 группы – серии РВС и 4 – серии РВП.

Облегченные разрядники серии РВП применяются для защиты изоляции подстанций напряжением 3…10 кВ. они имеют варисторы из дисков диаметром 55 мм, и импульсный ток для них не должен превышать 5 кА.

Разрядники унифицированной серии РВС служат для защиты электрооборудования подстанций и выпускаются в виде элементов на напряжение 15,20,33,35 кВ, причем элемент на 33 кВ предназначен исключительно для комплектования разрядников на более высокие напряжения (110…220 кВ). Пропускная способность разрядников 10 кА (диаметр дисков 100 мм).

Вентильные разрядники с магнитным гашением маркируются на напряжение 3…35 кВ как РВМ, на напряжение 110 кВ и выше, как РВМГ (грозозащитные). Разрядники РВМ применяются, в основном, для защиты изоляции вращающихся машин. На напряжение 3…20 кВ разрядники выпускаются в виде отдельных элементов, на напряжение 35 кВ и выше комплектуются из нескольких элементов. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением. Блоки единичных искровых промежутков шунтируются нелинейным резистором полукольцевой формы. Применение вилитовых дисков диаметром 150 мм позволило вдвое увеличить пропускную способность разрядников РВМ и РВМГ по сравнению с разрядниками типа РВС.

В новой серии магнитно-вентильных разрядников РВТ (разрядник вентильный токоограничивающий) применены токоограничивающие искровые промежутки с растягивающейся дугой (рис.3.2.8). Магнитное поле создается катушками, включенными последовательно с искровыми промежутками. За время протекания импульсного тока дуга существенно растянуться не успевает, и сопротивление ее не велико. При протекании сопровождающего тока промышленной частоты дуга вводится в узкую щель разрядника, растягивается, ее сопротивление возрастает, и величина сопровождающего тока ограничивается уже не только сопротивлением рабочего варистора, но и сопротивлением дуги.

Варисторы разрядников РВТ на напряжение 3…10 кВ комплектуется из тервитовых дисков диаметром 70 мм, а разрядников 110…500 кВ – из дисков диаметром 100 мм. Остающееся напряжение разрядников РВТ примерно на 20 % ниже, чем у разрядников серии РВМ.

Рис 3.2.10 Вентильный разрядник РВМК
В настоящее время вентильные разрядники практически сняты с производства и в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок службы. Построение схем защиты изоляции оборудования как новых, так и модернизируемых подстанций, от грозовых и коммутационных перенапряжений теперь оказывается возможным только с использованием ОПН

3.2.1.3. Ограничители перенапряжений

Защитное действие ОПН основано на протекании через него импульсного тока на заземляющее устройство, при появлении опасных перенапряжений. В свою очередь это приводит к снижению перенапряжения до нормального значения, при этом не будет происходить повреждение электрооборудования. Как уже говорилось выше, в настоящее время вентильные разрядники практически сняты с производства и в большинстве случаев отслужили свой нормативный срок службы. Построение схем защиты изоляции оборудования как новых, так и модернизируемых подстанций, от грозовых и коммутационных перенапряжений теперь оказывается возможным только с использованием ОПН. ).

ОПН состоят из параллельно соединенных искрового разрядника и варистора. Варистор ограничивает возникающие довольно часто перенапряжения, вызванные дальними ударами молний, искровой разрядник срабатывает при прямом ударе молнии, если из-за больших токов на варисторе остается достаточное высокое остающееся напряжение. При необходимости, в областях с высокой грозовой активностью, остающиеся перенапряжения на последующих зонах снижают дополнительно включенными варисторными или комбинированными ОПН с различными параметрами, устанавливаемыми на границах зон. При этом для развязки ступеней защиты применяют специальные, включаемые последовательно в линию индуктивности.

ОПН выполняется в виде системы керамических резисторов на основе окиси цинка (ZnO) с высокой степенью нелинейности. Металлизированные с торцов диски (например, 4 параллельных колонки из дисков диаметром 28 мм и высотой 8 мм – ОПН 110) размещаются в геометрическом изолирующем корпусе. ОПН обеспечивают ограничение сопровождающего тока до 10^-4…10^-5 А при рабочем напряжении сети, обладая достаточно высокой пропускной способностью при перенапряжениях. Уровень ограничения грозовых перенапряжений с помощью ОПН составляет (2,0…2,2) U_ф, коммутационных – (1,68…1,8) U_ф.

Расчетными величинами при выборе и установке ОПН являются длительность воздействия перенапряжения. В зависимости от длительности воздействия определяется параметр , где U_c – напряжение на ОПН, которое он должен выдерживать как угодно долго; U_n(t) – перенапряжение заданной длительности.
Типичная характеристика T_c=f(U_n(t)] приведена на рис. 3.2.11.
Error: Reference source not found



Рис. 3.2.11. Зависимость

Эта характеристика необходима для корректного выбора уставок релейной защиты и других систем автоматики. Так же расчетной величиной при выборе ОПН является количество импульсов заданной формы и максимальное значение импульсного тока. Соответствующее нормированному остающемуся напряжению U_осt. Типичная характеристика U_опн=f(I) приведена на рис. 3.2.12.


Error: Reference source not foundError: Reference source not foundРис. 3.2.12. Соотношение U_осt к U_с в зависимости от импульсного тока
В зависимости от типа и назначения ОПН К=24. При U_опн U_с, ток протекающий через нелинейный резистор, составляет единицы мA и главной проблемой при эксплуатации ОПН является недопущение возрастания этого тока (разгерметизация и увлажнение конструкции и т.д.).


Рис.3.2.13 Ограничители перенапряжения (ОПН)
ОПН-110

Рис. 3. 2.14 ОПН для сети 110 кВ
Предназначены для защиты электрооборудования от коммутационных и атмосферных перенапряжений. Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) серии TEL представляют собой разрядники без искровых промежутков, в которых вместо обычных резисторов, изготовленных на базе карбида кремния (SiC), используются высоконелинейные резисторы (варисторы), изготовленные на базе окиси цинка (ZnO). Ограничители ОПН-110 состоят из высокопрочной стеклопластиковой трубы, в которую устанавливаются колонки резисторов, запрессованные заранее в твёрдую полимерную оболочку. На трубу монтируются алюминиевые фланцы и наклеиваются кольца из кремнийорганической резины. Стеклоплпстиковая труба имеет гермитичные по конструкции выхлопные клапаны, обеспечивающие взрывобезопасность ОПН. Высокая нелинейность варисторов определяет чрезвычайно малую величину тока, протекающего через ОПН при наибольшем допустимом напряжении (менее 1мА), что позволяет ОПН неограниченно долго находиться под рабочим напряжением сети. По этой причине отсутствует необходимость устройства в ОПН искровых промежутков. Уровень ограничения перенапряжений определяется только вольтамперной характеристикой ОПН. При возникновении в сети волн перенапряжений, ток через ОПН резко увеличивается (до 5 10 кА) и снижает напряжении на защищаемом оборудовании. После воздействия грозового или коммутционного импульса ОПН возвращается в исходное состояние.

Способ установки: «фаза-земля».

3.2.3 Защита сетей напряжением 220/380 В от внутренних и внешних перенапряжений

В электрических сетях 220/380В возможны кратковременные увеличения напряжений (импульсные перенапряжения), имеющие вероятностный характер и длительность в диапазоне от микросекунд до нескольких миллисекунд. Тому имеется несколько основных причин:

• 
  перенапряжения, вызванные ударом молнии (внешнее перенапряжение)
  
• 
  импульсные перенапряжения в электросетях 380/220В, обусловленные разрядами статического электричества (внутреннее перенапряжение в сетях)
  
• 
  импульсные перенапряжения в частотном диапазоне 0,5 20 Мгц в электросетях 380/220В обусловленные коммутацией токов, как рабочих, так и аварийных (внутреннее перенапряжение в сетях). То есть, при включении или отключении сетевой организацией линий электропередач от подстанции или при ликвидации повреждений, появляется необходимость защиты электрооборудования потребителей.
  

Перечисленные явления представляют некоторую опасность для электрооборудования, а именно:

• 
  возможность повреждение изоляции электрооборудования и других его элементов
  
• 
  проникновение импульсов напряжения (импульсных помех) в логические цепи электронных цифровых устройств, в результате чего может произойти сбой в их работе. Также, что самое страшное, может полностью выйти из строя цифровое устройство (телевизор, компьютер, аудио техника и т.д.)
  

Защита от внешних перенапряжений представляет собой молниеотвод, состоящий из токоприемника, токоотвода и заземлителя. Зоной защиты молниеотвода является пространство, расположенное в определенном радиусе. При попадании молнии на защищаемою территорию происходит ее разряд через систему молниезащиты, тем самым обеспечивая безопасность вашего оборудования.

Для защиты от внутреннего перенапряжения сети используется ОПН (ограничитель перенапряжений). Защитное действие ОПН основано на протекании через него импульсного тока на заземляющее устройство, при появлении опасных перенапряжений. В свою очередь это приводит к снижению перенапряжения до нормального значения, при этом не будет происходить повреждение электрооборудования. Схема подключения ОПН к  электроустановки здания представлена на рис. 3.2.15 .