Разрядники и нелинейные ограничители пренапряжения

Основные сведения

При работе электрических установок возникают напряжения, которые могут значительно превышать номинальные значения (перенапряжения). Эти перенапряжения могут пробить электрическую изоляцию элементов оборудования и вывести установку из строя. Электрическая изоляция должна выдерживать эти перенапряжения. С целью облегчения изоляции, возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН).

1 – разрядник;

2 – трубчатый разрядник;

3 – вентильный разрядник;

4 – ОПН.

Перенапряжения делят на две группы:

· внутренние (возникают при дуговых замыканиях на землю, коммутации электрических цепей – катушек индуктивности, конденсаторов, длинных линий и могу длиться от нескольких миллисекунд до нескольких секунд);

· атмосферные (возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер и малую длительность – несколько микросекунд).

Электрическая прочность изоляции при импульсах зависит от формы импульса, его амплитуды. Зависимость максимального напряжения импульса от времени разряда называется вольт-секундной характеристикой.

Вольт-секундная характеристика искрового промежутка разрядника (1) или ОПН должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемого оборудования (2). При появлении перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. После пробоя линия заземляется через сопротивления разрядника. При этом напряжение на линии определяется током, проходящим через разрядник, сопротивлением разрядника и сопротивлением заземления. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее ограничиваются перенапряжения, т.е. больше разница между возможным (4) и ограниченным разрядником перенапряжением (3). Во время пробоя через разрядник протекает импульс тока. Напряжение на разряднике при протекании импульса тока называется остающимся напряжением. После прохождения импульса тока искровой промежуток оказывается ионизированным и легко пробивается номинальным фазным напряжением. Возникает КЗ на землю, при котором через разрядник протекает сопровождающий ток промышленной частоты. Этот ток должен быть отключен разрядником как можно быстрее.

Коммутационные перенапряжения — перенапряжения существующие во время переходных процессов при коммутации элементов сети, сопровождающих внезапное изменение ее схемы или режима.

Квазистационарные перенапряжения – перенапряжения, возникающие после окончания переходного процесса при коммутации элементов сети и существующие до тех пор, пока не будут устранены специальными мерами или самоустранены.

Разрядники имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются:

· высокое импульсное, пробивное напряжение U_пр искровых промежутков вследствие чего уровень неограниченных перенапряжений достаточно велик;

· ограниченная пропускная способность, что заставляет отстроить эти защитные аппараты от большинства внутренних перенапряжений, обладающих большой запасенной электромагнитной энергией;

· после 20-25 лет эксплуатации разрядники несколько ухудшают свои вольтамперную (ВАХ) и вольтсекундную (ВСХ) характеристики, что в итоге не обеспечивают защиту оборудования от перенапряжений;

· при срабатывании вблизи индуктивных элементов (трансформаторов, реакторов или электрических машин) вызывают в их обмотках градиентные (продольные) перенапряжения, опасные для изоляции упомянутых электромагнитных элементов;

· из-за наличия искровых промежутков и шунтирующих сопротивлений обладают большими массо-габаритными характеристиками, что связано с большими затратами при транспортировке и монтаже.

По перечисленным причинам приблизительно 30 лет тому назад в стране приостановили производство вентильных разрядников и началось интенсивное развитие работ по созданию новых защитных аппаратов – нелинейных ограничителей перенапряжений на основе высоконелинейных оксидно-цинковых (ZnO) варисторов (полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения).

Ограничители перенапряжений могут быть подключены:

· между токоведущими частями и землей, например, между вводами силовых трансформаторов и землей;

· в нейтрали силовых трансформаторов 110, 150 и 220 кВ;

· в нейтрали четырехлучевых шунтирующих реакторов;

· на опорах линий электропередачи в особых случаях, например, в гололедоопасных участках, где применение грозозащитных тросов нецелесообразно;

· параллельно электрооборудованию вдоль передачи, например, параллельно токоограничивающим реакторам, а также реакторам высокочастотной связи;

· между фазами электрооборудования и линий, например, между фазами распредустройства с уменьшенными относительно общепринятых междуфазными расстояниями.

Подключение ОПН к шине заземления осуществляется жестко с применением болта, а к фазной шине - по кратчайшему пути с помощью одножильного медного проводника, допускается применение гибкой шины.

Расстояния между ограничителями и другими заземленными и токоведущими частями электроустановки нормируются согласно "Правилам устройства электроустановок" (ПУЭ). Для обеспечения максимальной эффективности защиты электрооборудования от перенапряжения ОПН следует устанавливать как можно ближе к защищаемому оборудованию, на расстоянии не далее 3...6 м.

При защите силовых трансформаторов от грозового перенапряжения ОПН должен устанавливаться до коммутационного аппарата и присоединяться наикратчайшим путем от вводов трансформатора к заземляющему устройству подстанции.

При установке ОПН в одной ячейке с трансформатором напряжения рекомендуется присоединять ОПН до предохранителя, чтобы предотвратить перегорание предохранителя при прохождении импульсных токов.

При наличии на присоединениях трансформаторов на стороне 3...20 кВ токоограничивающих реакторов ОПН должны быть установлены на шинах 3...20 кВ независимо от наличия ОПН возле трансформаторов.

Если к сборным шинам электростанции или подстанции присоединены вращающиеся электрические машины (электродвигатели, генераторы) и ВЛ на железобетонных опорах, то в начале защищенного молниезащитным тросом ввода должен быть установлен комплект ОПН с присоединением к заземлению.

Высоковольтные двигатели могут быть перегружены повторными запусками при отключениях во время разгона. Это справедливо, когда ток отключения меньше 600 А. Чтобы защитить эти двигатели, рекомендуется устанавливать ограничители непосредственно у выводов двигателя или, как альтернатива, у выключателя.