Применение опн для вакуумных выключателей

Применение опн для вакуумных выключателей

Теория применения ОПН для ограничения перенапряжений

При коммутации вакуумными выключателями индуктивных токов (например, при отключении мало нагруженных трансформаторов и пусковых токов электродвигателей) возникают перенапряжения, вызванные срезом тока до его перехода через нуль, а также повторными пробоями межконтактного промежутка, обусловленными высокой скоростью нарастания напряжения на размыкаемых контактах выключателя.
В процессе отключения в межконтактном промежутке выключателя возникает вакуумная дуга, горящая в парах металла контактов. Вследствие высокой скорости нарастания электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме в процессе размыкания контактов дуга гаснет до перехода тока промышленной частоты через нуль, т. е. происходит срез тока. В результате такого среза тока энергия, запасенная в индуктивных элементах фидера (например, в индуктивности электродвигателя и питающего его кабеля), вызывает повышение напряжения в образующемся колебательном контуре L — С, которое может привести к пробою изоляции электрооборудования.

Георгий Александров, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электрические и электронные аппараты», Санкт-Петербургский государственный технический университет

Расчет величины перенапряжения

Для того чтобы оценить возможные величины перенапряжений, возникающих в различных конкретных случаях применения вакуумных выключателей, рассмотрим процесс отключения вакуумным выключателем фидера, питающего двигатель через кабель (рис.1). Эквивалентная схема такого присоединения приведена на рис.2, где кабель заменен его эквивалентной Т — схемой, а двигатель — его индуктивным и активным сопротивлением.
Пусть обрыв тока произошел в момент времени, предшествующий переходу тока через нуль на время t. При этом энергия, запасенная в элементах присоединения (кабеле и двигателе), равна:

где Um и Im – амплитуды напряжения и тока в предшествующем отключению режиме, w -угловая частота сети.
В предшествующем отключению режиме связь между током и напряжением в точке 1 определяется простым соотношением:

поскольку R/w(Lд + LК ) очень мало.
С учетом (2) соотношение (1) может быть переписано в виде:

где собственная частота колебательного контура, образовавшегося в момент времени t отключения выключателя,

Далее необходимо определить величины LK и Lд. Связь между индуктивностью LK и емкостью С кабеля определяется соотношением:

где L_K.0 и С — индуктивность и емкость кабеля на единицу его длины, V — скорость распространения электромагнитной волны вдоль кабеля, приблизительно равная скорости света 3*10 8 м/с.

и

Где l — длина кабеля. Индуктивное сопротивление двигателя в номинальном режиме его работы можно определить через его номинальную мощность и номинальное напряжение:

Следовательно, согласно (4), (7), (8)

Как видно, при увеличении мощности двигателя отношение w / w значительно увеличивается, а при увеличении длины кабеля — существенно уменьшается. При этом возможное отношение частот ограничивается диапазоном 15 w / w w / w первый максимум напряжения может быть оценен без учета рассеяния энергии в активном сопротивлении колебательного контура. Запасенная колебательным контуром энергия согласно (3) в момент перехода тока колебательного контура через нуль равна энергии в емкости С:

откуда отношение максимума перенапряжений к амплитуде номинального напряжения фидера равно:

При w _t= 5° в момент обрыва тока согласно (9) получаем:

Защиту электрооборудования от перенапряжений обеспечит ОПН

Рис. 2. Однолинейная эквивалентная схема фидера: С — емкость кабеля, L и R -индуктивность и активное сопротивление двигателя.

Основные характеристики ОПН

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Методические указания по применению ограничителей перенапряжений нелинейных в электрических сетях 6-35 кВ /

Разработано: ОАО «Институт «Энергосетьпроект»», ОАО ВНИИЭ, НТК «ЭЛ-ПРОЕКТ» при участии ОАО «Институт Теплоэнергопроект».

Исполнители:

Ю.И. Лысков, Н.П. . Антонова, О.Ю. Демина, А.В. Зуева — ОАО «Институт Энергосетьпроект»

К.И. Кузьмичева, Н.Н. Беляков — ОАО ВНИИЭ

Подьячев В.Н. — ОАО «Институт Теплоэнергопроект»

A.Г. Тер-Газарян — НТК «ЭЛ-ПРОЕКТ»

Утверждено: Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России» 27.04.01 г.

1. Введение.

Необходимость создания методического документа, определяющего применение и выбор параметров ограничителей для защиты оборудования в электрических сетях 6 — 35 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений, обусловлена следующими причинами:

· В России заводы практически прекратили выпуск вентильных разрядников, перейдя на выпуск ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН). Основным их отличием от разрядника являются: отсутствие искровых промежутков и, соответственно, постоянное подключение к сети, а также более высокая нелинейность вольтамперной характеристики. За счет этих факторов ограничитель находится все время под напряжением сети и ток, протекающий через него, меняется от десятых долей миллиампера в нормальном режиме работы сети до сотни и тысячи ампер при воздействии коммутационных и грозовых перенапряжений. Поэтому выбор ограничителя определяется энергетическими воздействиями на него в коммутационных, грозовых и иных режимах (повышения напряжения в рабочих режимах, квазистационарных перенапряжениях).

· ОПН для электрических сетей 6 — 35 кВ, представленные на российском рынке, изготовляются различными заводами как на основе собственных конструкторских решений, так и по лицензиям международных электротехнических концернов.

Поэтому ОПН разных заводов-изготовителей, предназначенные для применения в одном классе напряжения, имеют отличающиеся характеристики, что должно быть учтено при выборе.

· Отечественные сети 6 — 35 кВ работают, в основном с изолированной или заземленной через дугогасительный реактор нейтралью, поэтому условия работы ОПН в этих сетях отличаются от сетей 110 — 750 кВ большими величинами и длительностями коммутационных и квазистационарных перенапряжений.

2. Назначение и область применения.

Настоящие «Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 6 — 35 кВ» (далее Указания), определяют применение и выбор основных параметров и типа ограничителей в воздушных, кабельных и смешанных сетях 6 — 35 кВ, а также в сетях собственных нужд (СН) станций с учетом режимов заземления нейтрали, компенсации емкостного тока замыкания на землю, работы релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Настоящие указания не распространяются на выбор ОПН для установки в сетях генераторного напряжения блоков генератор-трансформатор.

Порядок действий при выборе ОПН, изложенный в настоящих Указаниях, может применяться при выборе ОПН любой фирмы. В качестве справочного материала в Приложении 1 приведены основные характеристики ОПН, выпускаемых различными производителями по техническим условиям, согласованным с РАО «ЕЭС России» [5, 6, 8, 10 — 14].

Указания предназначены для использования персоналом проектных и эксплуатационных организаций РАО «ЕЭС России», АО-энерго и электростанции, а также электросетевых объектов 6 — 35 кВ промышленных предприятий для определения требуемых характеристик и выбора по ним типа ограничителя перенапряжений в зависимости от условий его работы в месте установки при плановой замене разрядников, техперевооружении, реконструкции и проектировании новых распределительных устройств (РУ).

3. Определения и обозначения.

3.1 . Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН, далее ограничитель), является одним из основных элементом системы защиты от перенапряжений, обеспечивающим защиту оборудования распределительного устройства (РУ) и линий от грозовых и коммутационных перенапряжений.

3.2 . В настоящем документе использована следующая терминология:

3.2.1 . Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя — наибольшее действующее значение напряжения промышленной частоты, которое не ограничено, долго может быть приложено между выводами ограничителя. Обозначение — U _НРО , кВ действ. (в каталогах зарубежных фирм — U _С ).

3.2.2 . Временно допустимое повышение напряжения на ограничителе — наибольшее действующее значение напряжения промышленной частоты, превышающее U _НРО , которое может быть приложено к ОПН в течение заданного изготовителем времени, не вызывая повреждения или термической неустойчивости. Обозначение — U _ВНО , кВ действ.

Нормируемые изготовителями зависимости U _ВНО от их допустимой длительности приведены в виде линейных зависимостей «напряжение промышленной частоты — время» в полулогарифмическом масштабе в Приложении 2. Значения U _ВНО даны в долях U _НРО . Часть производителей приводит такие характеристики как для случая «с предварительным нагружением» аппарата прямоугольным импульсом тока длительностью 2000 мкс, так и без него.

3.2.3 . Номинальное напряжение ограничителя — действующее значение напряжения промышленной частоты, которое ограничитель может выдержать в течение не менее 10 с в процессе рабочих испытаний. Номинальное напряжение должно быть не менее 1,25 наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения.

3.2.4 . Остающееся напряжение ОПН ( U _ОСТ ) — наибольшее значение напряжения на ограничителе при протекании через него импульсного тока с данной амплитудой и длительностью фронта.

3.2.5 . Защитный уровень ОПН при коммутационных перенапряжениях — остающееся напряжение на ограничителе при расчетном токе коммутационных перенапряжений. Обозначение — U_octK, кВ макс.

Нормируемая форма волны коммутационного импульса тока — 30/60 мкс или 1,2/2,5 мс.

3.2.6 . Защитный уровень ОПН при грозовых перенапряжениях — остающееся напряжение на ограничителе при протекании нормируемого тока грозовых перенапряжений. Обозначение — U _остГ , кВ макс.

Нормируемая форма импульса тока — 8/20 мкс, амплитуда 5 кА.

3.2.7 . Номинальный разрядный ток ОПН — это максимальное значение грозового импульса тока 8/20 мкс, используемое для классификации ОПН. Обозначение — I _ном , кА.

3.2.8 . Удельная энергия (энергоемкость) — рассеиваемая ограничителем энергия после нагрева его до 60 °С и последующего приложения одного нормируемого импульса тока отнесенного к 1 кВ наибольшего длительно допустимого рабочего (или номинального) напряжения ОПН.

Полная энергоемкость ОПН (Э_ОПН) — произведение нормируемой производителем удельной энергоемкости на то напряжение, по отношению к которому она приведена (наибольшее рабочее длительно допустимое или номинальное напряжения ОПН). Обозначение — Э_ОПН, кДж.

3.2.9 . Ток пропускной способности ОПН (ток большой длительности) — максимальное значение (амплитуда) прямоугольного импульса тока длительностью не менее 2000 мкс, которое прикладывается к ограничителю в процессе испытаний на пропускную способность 20 раз. Обозначение — I ₂₀₀₀ , А.

Значения Э_ОПН и I ₂₀₀₀ (прямоугольного импульса тока большой длительности) для ОПН выпускаемых по согласованным с РАО «ЕЭС России» техническим условиям приведены в Приложении 1.

3.2.10 . Ток срабатывания противовзрывного устройства, т.е. устройства для сброса давления (I _{кз ОПН}, кА) — наибольшее значение тока, при котором в случае внутреннего повреждения ОПН не происходит взрывного разрушения его покрышки или, при ее повреждении, разлет осколков ОПН находится внутри нормируемой зоны.

при коммутации элементов сети, сопровождающих внезапное изменение ее схемы или режима. Обозначение — U _к , кВ макс. Описание основных видов коммутационных перенапряжений в сетях 6 — 35 кВ приведено в Приложении 3.

3.2.12 . Квазистационарные (временные) перенапряжения — перенапряжения промышленной или близкой к ней частоты, а так же перенапряжения на высших и низших гармониках, не затухающие или слабо затухающие, возникающие как следствие коммутации элементов сети (например, замыкании на землю, обрыве провода) и ликвидирующиеся действием релейной защиты или оперативного персонала. Возникновение, величина и длительность этих перенапряжений определяются сочетанием параметров сети. Обозначение — U_v, кВ действ. Описание основных видов квазиустановившихся в сетях 6 — 35 кВ приведено в Приложении 3 .

К этим перенапряжениям относятся резонансные и феррорезонансные перенапряжения на промышленной частоте, низших и высших гармониках, перенапряжения с медленно изменяющейся вследствие затухания или изменения параметров системы (например, ЭДС и индуктивностей генераторов) частотой или амплитудой.

3.2.13 . Режим заземления нейтрали. Отечественные сети 6 — 35 кВ работают с изолированной нейтралью, либо нейтралью заземленной через дугогасящий реактор (ДГР) или резистор.

Область применения ДГР определяется в соответствии с ПТЭ и ПУЭ.

3.2.14 . Наибольшее эксплуатационное рабочее линейное напряжение в электрической сети — определяют как наибольшее возможное фазное напряжение сети, полученное на основе анализа регистрационных суточных записей или замеров при эксплуатации РУ за год, длительностью не менее 6 часов в сутки, повторяющееся не менее 2 раз в год. Обозначение — U _СЕТИ , кВ действ.

4. Основные положения по выбору параметров ОПН.

4.1 . К основным выбираемым параметрам ограничителя относятся: наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение, номинальный разрядный ток, энергоемкость, уровни остающегося напряжения при коммутационном и грозовом импульсе тока, величина тока срабатывания противовзрывного устройства, длина пути утечки внешней изоляции.

4.2 . Основные параметры ограничителя выбирают, исходя из назначения, требуемого уровня ограничения перенапряжений, места установки, а также схемы сети и ее параметров (наибольшего рабочего напряжения сети, способа заземления нейтрали, величины емкостного тока замыкания на землю и степени его компенсации, длительности существования однофазного замыкания на землю и т.д.).

4.3 . По назначению ограничители применяют для защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.

4.3.1 . В соответствии с ПУЭ при защите от грозовых перенапряжений ОПН устанавливают:

— в РУ 6 — 35 кВ, к которым присоединены ВЛ;

— в схемах грозозащиты вращающихся машин;

— на обмотках 6 — 35 автотрансформаторов,

— на обмотках 6 — 10 кВ трансформаторов, в случае установки молниеотводов на трансформаторных порталах.

4.3.2 . При защите от коммутационных перенапряжений ОПН могут быть установлены на присоединениях с вакуумными выключателями, коммутирующими вращающиеся машины и трансформаторы, а также в электроустановках, имеющих облегченную или ослабленную в процессе эксплуатации (например, у электродвигателей, кабелей) изоляцию.

5. Методика выбора основных параметров ОПН.

5.1. Выбор наибольшего длительно допустимого рабочего напряжения ОПН.

5.1.1 . В сетях 6 — 35 кВ, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока замыкания на землю и допускающих неограниченно длительное существование однофазного замыкания на землю (ОЗЗ), наибольшее рабочее длительно допустимое напряжение ограничителя выбирается равным наибольшему рабочему напряжению электрооборудования для данного класса напряжения по ГОСТ 1516.3 . Их значения приведены в табл. 1 .

Ограничитель перенапряжения ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

1. Варисторы – высоконелинейные резисторы объемного типа, применяемые в ОПН, имеют резконелинейную вольтамперную характеристику, обладают высокой стабильностью, которая не изменяется в процессе длительной эксплуатации ОПН.
2. Безинерционное отслеживание перепадов напряжений.
3. Большое быстродействие срабатывания ОПН при коммутационных и грозовых напряжениях.
4. Отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочей темпе ра- туры.
5. Применение варисторов в одноколонковом исполнении позволяет обеспечить особенно глубокое ограничение напряжений и, соответственно, более высокую надежность работы высоковольтного оборудования и улучшение качеств параметров электрических сетей.
6. Уменьшение габарита и веса ОПН в 10…20 раз позволяет установить их непосредственно на выводах трансформаторов, электродвигателей, в ячейках КСО и КРУ, подстанциях, электрофицированном транспорте.
7. Обеспечена возможность создания одноколонковых ОПН на все классы напряжений, при этом максимально используется объем корпуса аппарата, что также значительно снижает массу ОПН по сравнению с многоколонковыми ОПН и существенно повышает надежность работы.
8. Технология производства стеклопластиковых корпусов или однонаправленных стержней с нанесением на них защитного ребристого покрытия (оригинальной формы) позволяет выпускать ОПН в одноэлементном исполнении 1…3 м. При больших классах напряжения сети ОПН составляют из двух или трех частей (модулей). Такая конструкция обеспечивает минимальную металлоемкость и высоту ОПН и повышает надежность работы ОПН при увлажнении и загрязнении поверхности аппарата.
9. Высокая механическая прочность и малая масса ОПН позволяет устанавливать их не только на подстанциях, но и непосредственно на линиях электропередач (ЛЭП) без усиления конструкции опор. При этом появляется возможность ограничения грозовых перенапряжений на отдельные опоры высоковольтных сетей, например, на изолирующей подвеске переходов через водные препятствия большой ширины, на пересечениях двух линий, когда приходится применять опоры увеличенной высоты, либо в случаях, когда сопротивление заземления отдельных опор имеет повышенное значение по сравнению с другими опорами (скалистый грунт, песок и т.д.).
10. Эффективно применение ОПН на подходах к подстанциям для ограничения грозовых перенапряжений.
11. Применение подвесных ОПН на ЛЭП позволяет обеспечить практически ровное ограничение коммутационных перенапряжений вдоль линий электропередач любой длины.
12. Применение ОПН для вновь создаваемых ЛЭП позволит существенно изменить высоту опор, снизить их габариты и металлоемкость.
13. В настоящее время применение фарфора в качестве конструкционного материала ОПН оценивается технически необоснованным из-за увеличивающихся требований по уменьшению массо-габаритных показателей и взрывобезопасности.
14. ОПН в полимерных корпусах не требуют обслуживания, не повреждаются при транспортировке и хранении. Малые массо-габариты ОПНп позволяют легко выполнять монтаж при минимальном использовании техники.

Сертификат ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Чертеж и габаритные размеры ОПН-П-750/455/10/1200 УХЛ1

Применение опн для вакуумных выключателей

Состояние изоляции карьерного электрооборудования, определяющее надёжность работы и безопасность его обслуживания, во многом зависит от воздействующих на неё перенапряжений. Наряду с атмосферными перенапряжениями и перенапряжениями, обусловленными однофазными замыканиями на землю в сетях с изолированной нейтралью, существенное влияние на изоляцию электрооборудования оказывают коммутационные перенапряжения, особенно в установках с частыми коммутациями, оборудованных вакуумными выключателями. Эта проблема наиболее актуальна для элементов карьерной сети. Причиной тому — наличие большого числа электроприёмников с облегчённой изоляцией (электрические вращающиеся машины передвижных электроустановок карьеров).

Основными причинами перенапряжений на изоляции отдельного присоединения при коммутации нагрузки являются срез тока и повторные зажигания дуги.

Срез тока характерен для выключателей любого применяющегося в настоящее время типа (маломасляных, электромагнитных, воздушных, вакуумных, элегазовых). В вакуумных выключателях причиной среза тока является неустойчивость дуги при малых токах, так как она горит в парах металла контактов.

Кроме величины тока, на перенапряжения при срезе, влияют индуктивность нагрузки (или мощность) и емкость присоединения (длина воздушной или кабельной линии). Анализ результатов измерений показал, что с ростом номинальной мощности отключаемых электродвигателей средние и максимальные КП уменьшаются. Это объясняется, в основном, снижением волнового сопротивления обмоток. Перенапряжения, распространяющиеся на сеть, ниже перенапряжений на нагрузке, что обусловлено шунтирующим действием емкости питающей сети. Параметры кабеля, двигателя и выключателя являются определяющими, параметры внешней сети (до выключателя) на формирование КП влияют незначительно. Увеличение емкости системы кабель — электродвигатель и активно-индуктивного сопротивления кабеля приводит к уменьшению амплитуды, крутизны и числа импульсов КП при повторных зажиганиях дуги в выключателе. Принято считать, что при значительной длине присоединения перенапряжений из-за среза тока в выключателе вообще не возникает. Наличие даже небольшой активной нагрузки на вторичной стороне отключаемого силового трансформатора также исключает возникновение перенапряжений по причине среза.

Первым опытным средством ограничения КП стали вентильные разрядники, но, имея импульсное пробивное напряжение выше 3,2*иф и большие габариты, вентильные разрядники (РВМГ, РВМК, РВМКГ, РВРД) не смогли обеспечить надёжное ограничение коммутационных перенапряжений.

В последние годы, как в России, так и за рубежом в электрические сети активно внедряют нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). ОПН представляет собой нелинейный резистор на основе ZnO с высоким коэффициентом нелинейности, благодаря чему при номинальном фазном напряжении он пропускает ничтожный ток 1 мА. При увеличении напряжения сопротивление ОПН резко уменьшается, а ток, протекающий через него, растёт. По данным каталогов продукции ряда крупнейших фирм, работающих в области производства электротехнических изделий, уровень ограничения перенапряжений нелинейными ограничителями типа ОПН KP/TEL и ОПН PT/TEL составляет (2,8 — 3,6)Uф.

Применение ОПН на карьерах ограничено их низкой надёжностью в результате термической неустойчивости в условиях частых однофазных замыканий на землю и неудовлетворительного действия релейной защиты. Кроме того, включение ОПН между фазами сети и корпусом экскаватора, в районах с многолетнемёрзлыми грунтами может приводить к появлению опасных потенциалов на корпусах экскаваторного оборудования вследствие неэффективного действия защитных устройств.

Считается, что частичное ограничение перенапряжений может быть достигнуто нормированием минимальной длины кабеля между высоковольтным выключателем и коммутируемой нагрузкой. Защитное действие кабельной вставки основано на уменьшении волнового сопротивления коммутируемого контура за счёт собственной ёмкости кабеля. Однако расчёты показывают, что применительно к экскаваторам этот способ неприемлем как с технической, так и экономической стороны.

Распространённым средством защиты двигателей и трансформаторов от КП, является подсоединение RC-цепочек между ВКА и нагрузкой. RC-цепочка состоит из конденсаторов 0,1 — 0,5 мкФ и резисторов 25 — 100 Ом, соединённых последовательно. Конденсаторы уменьшают волновое сопротивление цепи нагрузки, снижая тем самым перенапряжения, вызванные срезом тока, а резисторы способствуют затуханию высокочастотного тока, регулируют воздействие на другие фазы и вместе с конденсаторами уменьшают вероятность повторного зажигания дуги в ВКА. Уровень ограничения перенапряжений RC-цепочками составляет (1,8 — 2,4)Uф.

Определяющими факторами при выборе средств защиты от коммутационных перенапряжений являются допустимый уровень перенапряжений для данного типа оборудования и условия электробезопасности.