Диагностика и контроль ограничителей перенапряжения нелинейных

ДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ

ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

 

 

Аннотация

 

Содержит основные сведения о диагностике современных защитных электрических аппаратов, находящих все более широкое применение в электротехническом оборудовании электрических сетей и подстанций. Для этого были использованы материалы, опубликованные в научно-технических журналах и справочниках, а также техническая и и информационная документация предприятий-изготовителей.

Работа рассчитана на студентов электроэнергетических специальностей дневного и заочного обучения.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение.................................................................................................................................. 4

1. Диагностика и контроль ОПН.................................................................................. 5

1.1. Область применения ограничителей перенапряжений............................. 5

1.2. Классификация электрических воздействий на ОПН................................ 6

1.3. Диагностика по наибольшему допустимому U_нр и расчетному наибольшему допустимому напряжению U_рнр ОПН 8

1.4. Диагностика по номинальному разрядному току через ОПН.............. 13

1.5. Диагностика по расчетному току при коммутационных перенапряжениях............................................. 15

1.6. Уровень частичных разрядов......................................................................... 17

1.7. Вопросы взрывобезопасности........................................................................ 18

1.8. Вопросы внешней изоляции........................................................................... 23

1.9. Меры по защите ОПН в неоднородном электростатическом............... 31

2. Неэлектрические воздействия на ОПН................................................................ 36

2.1. Температура и вопросы термических расчетов для ОПН...................... 36

2.2. Сейсмостойкость и вибростойкость............................................................. 45

2.3. Диагностика по степени загрязнения внешней изоляции....................... 46

2.4. Климатические условия................................................................................... 47

2.5. Категория размещения. Механическая прочность.................................. 48

2.6. Вопросы координации изоляции.................................................................. 53

3. Диагностика и контроль вентильных разрядников...................................... 54

3.1. Методы и технические устройства контроля вентильных

разрядников...................................................................................................... 54

Библиографический список........................................................................................ 61

 

ВВЕДЕНИЕ

Качественный ремонт и применение современных методов эксплуатации, основанных на диагностике технического состояния электрических машин, коммутационной аппаратуры и средств защиты от перенапряжения, позволяют обеспечить бесперебойную работу всех отраслей народного хозяйства, уменьшить расходы на эксплуатацию и ремонт электрооборудования и продлить срок его службы.

В настоящее время в стране осуществляется массовый переход от вентильных разрядников к ограничителям перенапряжений. Это продиктовано очевидными недостатками и общей тенденцией, связанной со старением вентильных разрядников, некоторые из которых эксплуатируются более 40 ÷ 50 лет. Как показывают проведенные исследования, при этом значительно ухудшаются характеристики защитных аппаратов, что приводит к негативным изменениям показателей надежности защиты от перенапряжений. Кроме того, названный переход в большой мере поддерживается выходом в свет некоторых директивных документов (смотри, например, [2, 3]).

Создание, распространение и внедрение упомянутых ограничителей широком диапазоне классов и типов электрических сетей и систем электроснабжения многих отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства позволило в значительной мере изменить представления и реализацию защиты от перенапряжений, улучшения условий обеспечения электромагнитной совместимости и повышения надежности и энергоэффективности в электроэнергетике.

В частности, появились такие возможности, как:

· отказ в большинстве случаев от искровых промежутков (однако, в серии ОПНИ для ограничения междуфазных перенапряжений все же применяются дополнительные искровые промежутки),

· снижение на 30 ÷ 50 % уровня ограничения коммутационных перенапряжений,

· улучшение в 2 ÷ 3 раза массогабаритных показателей защитных аппаратов,

· существенная экономии в изготовлении защитных аппаратов фарфора, алюминиевого литья, черных и цветных металлов и др.

Первые нелинейные ограничители перенапряжений, разработанные общими усилиями НИИ «Электрокерамика» (г. Ленинград), отраслевых институтов Минтопэнерго (ВЭИ, ВНИИЭ, НИИПТ, «Энергосетьпроект», СибНИИЭ), ряда ВУЗов страны (ЛПИ им. М.И. Калинина, НЭТИ, МЭИ и др.), позволили осуществить широкую программу улучшения технико-экономических показателей сетей высокого, сверхвысокого и ультравысокого классов напряжения. Они позволили:

· снизить габариты ОРУ и ЗРУ,

· сократить площади, занимаемые ими,

· снизить объемы строительных и монтажных работ,

· сэкономить материалы при строительстве, производстве кабельных работ в эксплуатации,

· снизить сроки и стоимость строительства,

· значительно уменьшить испытательные напряжения защищаемого электрооборудования.

Нелинейные ограничители перенапряжений (в дальнейшем сокращенно ОПН), в отличие от вентильных разрядников, не имеют искровых промежутков и непосредственно подключаются к защищаемому объекту. Это достигается благодаря применению в них оксидно-цинковых варисторов, обладающих высоконелинейной вольтамперной характеристикой (в зависимости U = A·I ^α, которая аппроксимирует ее с высокой точностью, коэффициент нелинейности α приблизительно равен 0,03 ÷ 0,04) и достаточно высокой пропускной способностью. По упомянутой причине в ряде стран ОПН называются вентильными разрядниками без искровых промежутков.

В нормальном режиме через ОПН, находящиеся под рабочим напряжением, течет ток от долей мА до нескольких мА в зависимости от номинального напряжения защищаемого объекта, характеристик варисторов и конструкции аппарата. При этом его внутреннее сопротивление находится в пределах от десятков до сотен МОм. Однако при появлении перенапряжений в течение наносекунд внутреннее сопротивление аппарата снижается на несколько порядков, а ток через ОПН возрастает в 10⁶ ÷ 10⁷ раз.

В итоге защитный аппарат рассеивает электромагнитную энергию переходного процесса в окружающую среду, глубоко ограничивая перенапряжения, независимо от природы их возникновения.

Необоснованный выбор характеристик ОПН, их неправильная эксплуатация могут привести к повреждению самих защитных аппаратов, а также вызвать серьезные аварии в энергосистемах и электрических сетях промышленных предприятий. В настоящей книге сделана попытка облегчить труд работников ЭССЭ в выборе ОПН, их размещении в сетях, а также эксплуатации с учетом разнообразия отраслевой специфики и возможных направлений применения. Конструкторы и технологи предприятий – изготовителей ОПН найдут здесь сведения для анализа и оптимизации конструкций.

 

ДИАГНОСТИКА И КОНТРОЛЬ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ

1.1 Область применения ограничителей перенапряжений.

Приводимые ниже данные распространяются на ограничители перенапряжений с высоконелинейными варисторами, предназначенными для ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений в сильноточных цепях однофазного и трехфазного переменного тока частотой 50 Гц в сетях 110 ÷ 750 кВ, работающих в режиме с глухим (эффективным) заземлением нейтрали.

Ограничители перенапряжений могут быть установлены на открытых и закрытых распредустройствах (шины, присоединения силовых трансформаторов, шунтирующих реакторов, батарей конденсаторов), на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, в комплектных подстанциях, а также на линиях для защиты ослабленных мест (пересечения линий высокого напряжения между собой, пересечения линий ВН с линиями связи, с электрифицированной и неэлектрифицированной железной дорогой, на высоких переходных опорах, на разъединителях секционирования, вблизи кабельных вставок, на ослабленных (железобетонных и металлических) опорах линий, имеющих смешанные опоры и т.д.).

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 четырех лучевых шунтирующих реакторов;

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

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

 

1.2. Классификация электрических воздействий на ОПН.

 

Любой ограничитель регламентируется на определенные воздействия. Нарушение этого регламента повлечет за собой разрушение аппарата в эксплуатации с последующими последствиями, связанными как с недоотпуском (недополучением) электроэнергии, так и с затратами на ремонтно–восстановительные работы.

Ограничитель перенапряжений, являясь средством ограничения перенапряжений на изоляции электрооборудования подстанций и линий, повышения надежности работы защищаемого объекта, не должен снижать надежности за счет собственного повреждения. Поэтому выбор этих защитных аппаратов, как и выбор любого электротехнического оборудования, должен быть тщательно взвешен и обоснован.

В связи с изложенным, выбор ОПН, как правило, производится комплексно на основании изучения электрических и неэлектрических воздействий (рис. 1.1).

Электрические воздействия требуют выполнения работ по определению длительного наибольшего рабочего напряжения и квазистационарных перенапряжений, по исследованию защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений, по расчету токов короткого замыкания и по координации изоляции защищаемого электрооборудования и самого защитного аппарата.

 

 

Рис. 1.1. К выбору ограничителей перенапряжений разных классов напряжения.

 

Как отмечалось, необоснованный выбор характеристик ОПН, их неправильная эксплуатация могут привести к повреждению самих защитных аппаратов, вызвать серьезные аварии в энергосистемах.

Любая изоляционная конструкция независимо от ее исполнения и класса напряжения в эксплуатации подвергается длительному рабочему напряжению, кратковременным грозовым перенапряжениям микросекундного диапазона, более длительным перенапряжениям (коммутационным, дуговым и феррорезонансным) миллисекундного или секундного диапазонов.

Для сетей 110 кВ и выше, работающих в режиме эффективного заземления нейтрали, основное значение имеют грозовые, квазистационарные и коммутационные перенапряжения.

Для сетей 6 ÷ 35 кВ, работающих в режиме изолирования нейтрали или ее резонансного заземления, важное значение имеют грозовые, квазистационарные, дуговые и коммутационные перенапряжения.

Как указывалось во введении, до последнего времени основным элементом системы защиты от перенапряжений сетей среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого классов напряжения энергетических объектов являлись вентильные разрядники.

Наличие искровых промежутков и шунтирующих сопротивлений, а также невысокая нелинейность рабочих сопротивлений делает эти защитные аппараты громоздкими и не обеспечивает высокой пропускной способности, необходимой для ограничения не только грозовых, но и внутренних перенапряжений.

- На ОПН любого класса напряжений воздействует ряд электрических и неэлектрических факторов. К электрическим факторам можно отнести максимальное рабочее напряжение (максимальное расчетное рабочее напряжение), импульсный (разрядный) ток, ток при коммутационных перенапряжениях, ток взрывобезопасности, уровень частичных разрядов в аппарате, удельная (полная) энергия, удельная длина пути утечки.

 

1.3. Диагностика по наибольшему допустимому U_нр и расчетному наибольшему допустимому напряжению U_рнр ОПН.

 

Исследования характеристик ОПН при длительно приложенном рабочем напряжении проводились в течение многих лет, как в Советском Союзе, так и за рубежом. При разработке ОПН был проведен большой объем исследований влияния различных факторов на срок службы ОПН: уровня приложенного напряжения, конструкции аппарата, температуры окружающей среды, качества варисторов и т.д.

Максимальное длительное рабочее напряжение U_нр – является допустимым действующим значением напряжения промышленной частоты, которое может быть длительно приложено к выводам ограничителя.

В отечественной терминологии понятию «длительное рабочее напряжение» соответствует наибольшее рабочее напряжение U_нр, которое приложено к ОПН в течение всего срока службы или достаточно длительно.

Максимальное длительное расчетное рабочее напряжение U_рнр – действующее значение напряжения промышленной частоты, приложенное к выводам ограничителя в течение времени t_р

U_рнр = К_з ·U_нр / К_в, (1.1)

где К_в – некоторый коэффициент, зависящий от расчетного времени t_р, технологии изготовления варисторов ограничителей (смотри дальше);

К_з – коэффициент запаса, который рекомендуется [34, 35] К_з = 1,05.

На рис. 1.2 ÷ 1.3 приведены вольт–временные характеристики ОПН различных фирм.

 

Рис. 1.2. Вольтвременные характеристики ограничителей перенапряжений ЗАО “НИИ ЗАИ”: А – ОПН в исходном состоянии; В – ОПН при предварительном воздействии 2–х импульсов тока пропускной способности длительностью 2000 мкс с удельной поглощаемой энергией одного импульса 2,1 кДж на 1 кВ Uнр.

Рис. 1.3. Вольтвременные характеристики ограничителей перенапряжений ЦЭЗА (“Центр энергетических защитных аппаратов”): А – в исходном состоянии при температуре окружающего воздуха +45 оС, В – при предварительном нагружении удельной поглощаемой энергией притемпературе окружающего воздуха 45оС.

Максимальное (длительное) допустимое напряжение для сети, в которой устанавливается ОПН, в Российской Федерации оговаривается такими директивными документами как ПТЭ, ПУЭ и РУ по защите от перенапряжений. По требованиям этих документов U_нр должно быть не более 1,1 · U_ном в сетях 0,22 ÷ 0,66 кВ, не более 1,2 · U_ном в сетях 6 ÷ 20 кВ, 1,15 · U_ном в сетях 35 кВ, 1,1 · U_ном в генераторных сетях 13,8 ÷ 24 кВ, 1,15 / · U_ном в сетях 110 ÷ 220 кВ, 1,1 / · U_ном в сетях 330 кВ, 1,05 / · U_ном – в сетях 500 и 750 кВ (таблица 1.1).

 

Значения U_нр для аппаратов, устанавливаемых на подстанциях

6 ¸ 500 кВ в нормальном режиме.

 

Таблица 1.1

Uном, кВ	0,22	0,38	0,66				13,8	15,75
Uнр, кВ	0,42	0,42	0,73	3,6	7,2		15,2

 

Uном, кВ
Uнр, кВ	22 (24)		40,5

 

Примечание: для сетей 20 кВ без скобок – для распределительных, в скобках – для генераторных сетей.

 

Однако в таблице 1.1 не учтены два обстоятельства, которые, вообще говоря, могут привести к некоторому дополнительному повышению напряжения на шинах подстанций:

При симметричных однофазных (двухфазных) коротких замыканиях на землю на отходящих линиях, на шинах подстанции, от которых питаются здоровые фазы (здоровая фаза), напряжение несколько возрастает по сравнению с симметричным режимом. Однако при реальных длинах линий 110 ¸ 500 кВ и реальных соотношениях индуктивных сопротивлений по нулевой (Х₀) и прямой (Х₁) последовательностям (Х₀/Х₁ £ 3).

Коэффициент несимметрии (коэффициент дополнительного повышения напряжения на здоровых фазах по сравнению с симметричным режимом) не более 1,02 ¸ 1,04. Это позволяет не учитывать такое обстоятельство, поскольку вероятность совпадения времени короткого замыкания и повышения напряжения в симметричном режиме до U_нр ничтожно мала.

При питании от шин подстанций ненагруженных линий в течение 10 ¸ 20 мин (рис.4.28) напряжение на подстанции несколько повышается. Однако, благодаря длинам линий и умеренным индуктивным предвключенным сопротивлениям подстанций на шинах 110 ¸ 750 кВ, такое повышение не более 3 ¸ 5% [4 ¸ 9].

Это также позволяет не учитывать такое дополнительное повышение напряжения, так как вероятность совпадения режима одностороннего питания линии от шин подстанции и повышения напряжения на шинах до U_нр перед коммутацией ничтожно мала.

Однако распределительные устройства 6; 10; 13,8; 15,75; 20; 110; 220; 330; 500 и 750 кВ в ряде случаев могут находиться вблизи электростанций. Анализ опыта эксплуатации показывает, что при нахождении вблизи этих подстанций тепловых, гидравлических и гидроаккумулирующих станций по режимным соображениям относительная величина э.д.с. Е^* может повышаться на 5 ¸ 10%.

Поэтому формула приобретет вид: U_рнр = К_з · Е^* · U_нр / К_в, (3.2)

а расчетные значения максимального (наибольшего) рабочего напряжения будут, соответственно, равны:

– на секциях 3 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×3,6 = 3,85 ¸ 4,15 кВ;

– на секциях 6 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×7,2 = 7,9 ¸ 8,3 кВ;

– на секциях 10 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×12 = 13,2 ¸ 13,9 кВ;

– на шинах 13,8 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×15,18 = 16,7 ¸ 17,5 кВ;

– на шинах 15,75 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×17,325 = 19,05 ¸ 20,0 кВ;

– на шинах 20 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×22 = 24,2 ¸ 25,4 кВ;

– на шинах 35 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×40,5 = 44,7 ¸ 46,8 кВ;

– на шинах 110 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×73 = 80,5 ¸ 84,3 кВ;

– на шинах 150 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×100 = 110,3 ¸ 115,5 кВ;

– на шинах 220 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×146 = 161 ¸ 168,6 кВ;

– на шинах 330 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×210 = 231,5 ¸ 242,5 кВ;

– на шинах 500 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×303 = 333,3 ¸ 350 кВ;

– на шинах 750 кВ ÷ U_рнр = 1,05×(1,05 ¸ 1,1)×455 = 478 ¸ 511 кВ.

 

Рис. 1.4. Функции распределения времени одностороннего питания при оперативном включении (1) и отключении (2) линий 110 ¸ 750 кВ.

Если в сетях 6 ¸ 35 кВ имеется защита от замыкания на землю со временем срабатывания t_р, то из вольтвременных характеристик для выбранных ОПН определяется коэффициент К_в и U_рнр снижается в К_в раз.

Перейдем к вопросам U_нр и U_рнр при установке ограничителей перенапряжений на линиях. Такие ограничители на уровне 2015 года могут быть установлены даже на линиях 110 кВ, не говоря о линиях 220 ¸ 750 кВ.

Наибольшие перенапряжения в установившемся режиме возникают на удаленном (разомкнутом) конце ненагруженных линий. Для определения U_нр и U_рнр рассмотрим следующие случаи:

1) напряжение в начале линии при отсутствии шунтирующих реакторов в симметричном режиме

U_к = E / (1 – X_n1 / Z_e) · tg λ;

2) напряжение в конце линии при наличии шунтирующего реактора в конце линии в симметричном режиме

U_к = [ E /1 – X_nl / Z_e · tg (λ – λ_p) ] · 1 / cos (λ – λ_p);

3) напряжение в конце двух фаз линии в неполнофазном (однофазном) режиме:

;

4) напряжение в конце одной фазы линии в неполнофазном (двухфазном) режиме:

;

5) напряжение на двух здоровых фазах при однофазном коротком замыкании в конце линии:

;

6) напряжение на одной здоровой фазе при двухфазном коротком замыкании в конце линии:

где Е – эквивалентная ЭДС питающей подстанции;

Z_в – волновое сопротивление линии по прямой последовательности, Ом;

l – волновая длина линии l = (0,06 ·L) для воздушной линии, l» (0,12·L) для кабельной линии;

L – длина линии в км;

l_р = аrсtg S_p / P_HAT – волновая длина линии, компенсированная шунтирующим реактором;

S_р – трехфазная мощность реактора;

Р_НАТ – натуральная мощность линии Р_НАТ = U ²_ном / Z_B;

Х_n1, Х_n0 – эквивалентное сопротивление питающей подстанции по прямой и нулевой последовательности, соответственно;

Х_вх1, Х_вх0 – входные сопротивления линии относительно ее начала;

К₁, К₀ – коэффициенты передачи по прямой и нулевой последовательностям, учитывающие повышения напряжения в конце линии по сравнению с ее началом.

U_АН – фазное напряжение на фазе А в месте короткого замыкания перед его возникновением;

X′_вх1, X′_вх0 – входные сопротивления схемы относительно точки короткого замыкания.

Анализ этих формул для распределительных устройств 110 ¸ 750 кВ показывает, что благодаря небольшой длине воздушных (до 300 км) и кабельных линий (до 5 км) и малой величине предвключенного индуктивного сопротивления Х_n1, Х_n0, напряжения на линиях не более, чем приведенные выше.

Поэтому при выборе ОПН можно ориентироваться на U_рнр, независимо от места установки ОПН на подстанциях. При больших величинах U_рнр должны быть применены шунтирующие реакторы.

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Определить расчетную величину длительного допустимого напряжения на ограничителе 220 кВ ЗАО «Феникс – 88», установленного на подстанции при тепловой электростанции при Е^* = 1,05.

При отсутствии флуктуации напряжения в зависимости от нагрузки линейное напряжение на шинах подстанции постоянно будет иметь величину U = 220 · 1,05 = 231 кВ. Поскольку по ГОСТу на качество электроэнергии напряжение может повышаться на 15% с учетом 5% – ного запаса, то U_нр » 281,1 кВ. По каталогу ЗАО «Феникс – 88» ближайшее U_рнр = 281,1 / = 162,3 кВ является 157 кВ.

Пример 3. Определить расчетную величину длительного допустимого напряжения на ограничителе 500 кВ ЗАО «Феникс – 88», установленного на разомкнутом конце линии 500 кВ длиной 250 км; волновое сопротивление линии Z_в = 270 Ом, предвключенное сопротивление питающей подстанции Х_п = 70 Ом, время холостого хода линии 20 мин, Е^* = 1,0.

Воспользуемся формулой

причем l = 0,06 º ·l = 0,06 º×250 = 15 º ≈ 0,262 рад.

.

Из вольтвременной характеристики при t_р = 1200 с определяем К_в = =1,18 поэтому с учетом 5%–ного запаса U_рнр = 351 / 1,18 = 297 кВ. Из каталога ЗАО «Феникс – 88» выбираем ограничитель ОПН с U_рнр = 303 кВ.

 

1.4. Диагностика по номинальному разрядному току через ОПН.

 

Одним из основных параметров, определяющих электрические характеристики нелинейных ограничителей перенапряжений, является величина импульсного тока, допустимого через варисторы упомянутых защитных аппаратов. При значениях тока больше допустимого для выбранных варисторов может произойти их перекрытие по боковой поверхности.

При расчетах следует различать разрядный ток ограничителя, номинальный разрядный ток и сильноточный импульс ограничителя. При этом под термином разрядный ток ограничителя следует понимать импульс тока, протекающий через ОПН, номинальный разрядный ток – максимальное амплитудное значение грозового импульса тока 8/20 мкс, используемое для классификации ОПН, сильноточный импульс ограничителя – амплитудное значение разрядного тока, имеющего форму импульса 4/10 мкс, который предназначен для испытания ограничителя на устойчивость при прямом ударе молнии (при установке ОПН на линиях).

Импульсные токи через ОПН обычно изучаются по ходу снятия кривых опасных волн. Методика исследования импульсных токов такова: при снятии кривых опасных волн импульсные напряжения на изоляции электрооборудования, например, силового трансформатора, увеличиваются до тех пор, пока их амплитуда не коснется уровня допустимых импульсных воздействий (на плоскости U – t) U_доп.

U_доп = 1,1·(U_пв – U_ном / 2),

где U_пв – полная импульсная испытательная волна по ГОСТ 1516.3–96 (например, для трансформатора 110 кВ U_пв = 480 кВ);

U_ном – номинальное напряжение трансформатора со стороны обмотки исследуемой сети.

При касании импульсных перенапряжений и U_доп фиксируется осциллограмма тока через ОПН и далее определяется амплитуда и форма тока. Такая методика изучения импульсных токов через ОПН, реализовалась с помощью программы «ГРОЗА» для ПЭВМ, разработанной на кафедре «Электроэнергетика, техника высоких напряжений» Санкт–Петербургского государственного политехнического университета.

Анализ показал, что величина импульсного тока через ограничители перенапряжений зависит от типа подстанции (тупиковая, проходная, многофидерная), числа и количества защитных аппаратов, их характеристик, расстояния между защищаемым оборудованием и защитным аппаратом, местом установки ОПН (на подстанции или на линии). Однако для ОПН 110 ¸ 500 кВ для установки на ОРУ 110 ¸ 750 кВ импульсные токи не более приведенных в таблице 1.2.

Амплитуды импульсных токов через ОПН 35 ÷ 750 кВ.

 

Таблица 1.2.

 

Uном, кВ	Амплитуда импульсных токов Iи, кА
Расчетная	Принятая по стандарту
	4 ÷ 5
	6 ÷ 7
	6 ÷ 7
	8 ÷ 9
	11 ÷ 12
	14 ÷ 16
	15 ÷ 19

 

Что же касается сетей 6 ÷ 35 кВ, то в них импульсные токи через ОПН для защиты электрооборудования имеют различные величины в зависимости от вида связи с воздушными сетями и от величины фазной емкости на землю. В этих сетях при смешанных воздушно–кабельных линиях обычно I_u = I_р ≤ 2 кА.

При наличии гальванической связи сетей 6 ÷ 20 кВ расчетные импульсные токи через ОПН порядка 3 ÷ 4 кА. Поэтому с большим запасом для всех перечисленных выше сетей от 6 до 20 кВ расчетный импульсный (разрядный) ток через ОПН может быть принят равным 5 кА.

Приведенные выше величины разрядных токов относятся к ОПН общепромышленного исполнения. Однако для объектов промышленных предприятий эти токи могут быть иными. Для примера рассмотрим импульсные токи через ОПН предприятий нефти и газа.

Через ОПН–220 и 380 В, как указывалось выше, по определению не протекают импульсные токи при прямых ударах молнии поскольку эти защитные аппараты не имеют непосредственной связи с воздушными сетями. Сети, в которых они установлены, имеют связь с воздушными сетями через трансформаторы 6/0,4 и 10/0,4 кВ, а в ряде случаев 35/0,4 кВ.

Благодаря большому волновому сопротивлению трансформаторов связи, импульсные токи через ОПН–0,22 и ОПН–0,38 составляют не более 0,4 ÷ 0,5 кА. С большим запасом принимаем расчетный импульсный ток 1 кА.

Приблизительно в таких же условиях работают ОПН, установленные в присоединениях ПЭД. В двухтрансформаторных схемах питания ПЭД импульсные токи через ОПН составляют не более 0,1 ÷ 0,7 кА. С большим запасом для всех нелинейных ограничителей перенапряжений для защиты ПЭД импульсный ток принимаем 1 кА.

Защитные аппараты 6 ÷ 35 кВ можно условно разделить на аппараты для установки в закрытых (кабельных) или смешанных (кабельно–воздушных) сетях и аппараты для установки в открытых («чисто воздушных») сетях. Благодаря большой емкости на землю кабелей закрытых и смешанных сетей, импульсные явления в этих сетях сильно демпфируются, и для аппаратов этой категории расчетным является коммутационный режим. При приходе грозовых волн импульсные токи через упомянутые защитные аппараты не более 2 кА.

Анализ показал, что для открытых сетей импульсные токи через ОПН 6, 10 и 35 кВ не более 4,4 и 4,5 кА.

Для сетей 110 ÷ 220 кВ импульсные токи изучались для аппаратов, устанавливаемых на тупиковых, проходных и многофидерных подстанциях. Токи, изучаемые по приведенной выше методике, имеют некоторый запас, вызванный следующим обстоятельством. Импульсные напряжения, допустимые для изоляции силовых трансформаторов, возникают, например, для подстанций 110 кВ не чаще 1000 лет. Реальные токи через защитные аппараты за срок их жизни будут значительно меньше, так как не каждая приходящая на защитный аппарат грозовая волна вызовет импульсные напряжения с амплитудой U_доп. Однако в любом случае импульсный ток будет не более 5 кА.

1.5. Диагностика по расчетному току при коммутационных перенапряжениях.

При коммутационных перенапряжениях токи через ОПН являются одним из основных факторов, определяющих сечение варисторов и вольтамперную характеристику всего защитного аппарата. Коммутационный импульс тока ограничителя – амплитудное значение разрядного тока с параметрами 1,2 / 2,5 мс (по МЭК (30 £ Т₁ £ 100) / 60 £ Т₂ £ 200 мкс). В ряде случаев в качестве такого тока применяют прямоугольный ток длительностью 2000 мкс (2 мс).

Расчет токов при коммутационных перенапряжениях I_к через ограничители перенапряжений чаще всего выполняется с помощью ЭВМ. Существует ряд программ для расчета величины и формы этого тока.

При предварительном выборе ограничителей перенапряжений может быть также применена расчетная методика, разработанная в НИИПТе под руководством доктора технических наук С.С. Шура. По этой методике расчет коммутационного тока I_к может быть выполнен по формулам [11]:

– если ОПН установлен на удаленном конце линии, то I_к = (U – U_ост ) / Z_в,

– если защитный аппарат установлен на питающем конце линии (на шинах питающей подстанции), то I_к = {(U – U_ост ) / Z_в}·(1+ Z_в /b··L_п),

где U – амплитуда неограниченных перенапряжений;

U_ост – остающееся напряжение на варисторах ОПН при токе I_к;

Z_в – волновое сопротивление провода относительно земли;

L_п – предвключенная индуктивность питающей подстанции;

b = (b₁ + w) / 2 – расчетная частота;

b₁ – наименьшая из частот свободных колебаний системы;

w – частота вынужденной ЭДС.

Поскольку ток I_к, в свою очередь, зависит от U_ост, его значение определяется параметрами точки пересечения ВАХ ограничителя и нагрузочной кривой.

Токи коммутационных перенапряжений, полученные расчетным путем для ограничителей перенапряжений для установки в сетях 6 ¸ 750 кВ, представлены в таблице 1.3

Характеристики I_к в сетях 6 ¸ 750 кВ.

Таблица 1.3

Uном, кВ	Пределы изменения тока Iк, А	Принятый ток Iк, А
	300 ¸ 500
	400 ¸ 500
13,8	800 ¸ 1000
15,75	800 ¸ 1000
	800 ¸ 1000
	400 ¸ 600
	500 ¸ 650
	500 ¸ 700
	500 ¸ 750
	900 ¸ 1100
	1110 ¸ 1300
	1400 ¸ 1800

 

Приведенные выше характеристики I_к относятся к ОПН общепромышленного исполнения. У защитных аппаратов промышленных предприятий I_к имеют иные значения. Ниже приведены значения I_к для объектов нефти и газа.

Коммутационные токи через ОПН определялись в зависимости от места их установки, мощностей источника питания и коммутируемого объекта, а также схемы его присоединения к источнику.

Они были установлены расчетным путем с дальнейшей проверкой с помощью экспериментов. Для различных объектов получено

– для ОПН – 0,22 и ОПН – 0,38 – I_к 150 А;

– для ОПН для защиты ПЭД 0,5 ÷ 2,5 кВ – I_к 200 А;

– для ОПН – 6 ÷ 35 кВ, устанавливаемых на шинах или секциях, – I_к 500 А;

– для ОПН – 6 ÷ 35 кВ, устанавливаемых, например, в присоединении на фидерах электродвигателей, – I_к 400 А;

1.6. Уровень частичных разрядов.

Возникновение частичных разрядов в различных деталях ограничителей перенапряжений может привести к негативным явлениям. В частности, при возникновении ЧР внутри покрышки ОПН возможное повышение давления может привести к взрыву аппарата и к коррозии металлических его деталей.

В ряде официальных документов оговаривается уровень частичных разрядов для модуля, как определяющей части конструкции, и для всего аппарата. В большом числе случаев уровень частичных разрядов на модуле ОПН при 1,05·U_ном – наибольшем максимальном (длительно допустимом) рабочем напряжении должен быть не более 5 пКл, а для полностью собранных аппаратов 6 ÷ 35 и 110 ÷ 220 кВ – не более 10 пКл, а для аппаратов 330 кВ и более – не более 50 пКл.

Величина ЧР измеряется в соответствие со схемой, представленной на рис. 1.5, где

R_p – защитное сопротивление;

C_c – дополнительная емкость;

ЭД – электрический датчик (активный и индуктивный);

С_х – емкость исследуемого объекта;

ФП – фиксирующий прибор;

БПС – блок подготовки и преобразования сигналов;

ПК – персональный компьютер.

 

 

Рис. 1.5. Блок–схема измерителя ЧР.

 

Цифровой испытательный стенд контроля высоковольтного оборудования, в том числе ОПН, по характеристикам частичных разрядов «СКИТ» ЧР позволяет производить измерения следующих параметров:

– осциллограммы импульсов частичных разрядов (ЧР) за период напряжения промышленной частоты;

– максимальный кажущийся заряд ЧР;

– количество частичных разрядов за период напряжения промышленной частоты и за 1 с;

– амплитудные спектры частичных разрядов;

– фазовое распределение ЧР в пределах периода напряжения промышленной частоты.

Комплекс СКИТ ЧР имеет следующие технические характеристики:

– минимальное значение кажущегося заряда ЧР не более 3 пКл;

– максимальное измеряемое значение кажущегося заряда ЧР, не менее 10 пКл;

– максимальная интенсивность ЧР до 10⁵ имп/с;

– относительная погрешность измерения максимального кажущегося заряда ЧР не более 30%;

– электропитание сеть 220 В 10%;

– потребляемая мощность не более 200 Вт;

– рабочий диапазон температур: +15 ÷ +30 ⁰С;

– относительная влажность воздуха до 80 %.

 

1.7. Вопросы взрывобезопасности.

Под термином взрывобезопасность понимается отсутствие взрывного разрушения ОПН с разлетом осколков в нормируемой зоне при его внутреннем повреждении.

Для ОПН обычно нормируются значения тока срабатывания противовзрывного устройства, при которых не происходит взрывного разрушения покрышки ОПН при его внутреннем повреждении.

При выборе ограничителей необходимо иметь в виду, что при токах срабатывания взрывного устройства до 40 кА, его значение должно быть на 15 ÷ 20% больше однофазного или трехфазного тока короткого замыкания. При токах короткого замыкания больше 40 кА поправка на величину расчетного тока не требуется.

В таблице 1.4 для примера приведены величины токов короткого замыкания в сетях 3 ÷ 750 кВ и рекомендуемые величины токов срабатывания взрывного устройства.

Среди многочисленных технических требований, предъявляемых, не­линейным металлооксидным ограничителям перенапряжений, взрывобезопасность конструкции защитного аппарата является одним из основных.

На­личие среди оборудования высоковольтных подстанций аппаратов, разруше­ние которых при возникновении в их корпусе внутренней электрической ду­ги носит взрывной характер и сопровождается разлетом осколков и фрагмен­тов конструкции, является недопустимым.

Взрывное разрушение защитного аппарата может привести к серьезному физическому ущербу, как для другого оборудования подстанции, так и нести реальную угрозу безопасности людей.

 

Токи короткого замыкания в сетях 3 ÷ 750 кВ.

Таблица 1.4

 

Uном , кВ	Ток однофазного к.з., кА	Ток трехфазного к.з., кА	Рекомендуемая величина тока срабатывания взрывного устройства, кА
	–	2 ÷ 7
	–	2 ÷ 8
	–	3 ÷ 9
13,8	–	70 ÷ 80
15,75	–	70 ÷ 80
	–	80 ÷ 95
	–	80 ÷ 95
	–	12 ÷ 15
	15 ÷ 25	20 ÷ 30
	15 ÷ 30	20 ÷ 35
	15 ÷ 30	20 ÷ 35
	10 ÷ 30	15 ÷ 35
	10 ÷ 30	15 ÷ 35
	10 ÷ 30	15 ÷ 35

 

Поэтому, как нормативными, так и документами рекомендательного характе­ра предусматриваются весьма жесткие испытания ограничителей перенапря­жений мощными внутренними дуговыми разрядами, амплитуда тока про­мышленной частоты, в которых может превосходить 60 кА. Ведущие зару­бежные компании (ABB, Сименс и др.) заявляют и о более высоких значениях ис­пытательного тока. Утверждение Технических Условий (ТУ) и получение серти­фикатов на выпускаемые ограничители перенапряжений, возможно только при наличии положительных результатов испытаний на взрывобезопасность.

В России испытания ОПН током короткого замыкания с указанными выше па­раметрами, в частности, проводятся в Санкт–Петербурге (НИИВА, руководи­тель испытательного центра И.В. Бабкин) и в Москве (НИЦ ВВА, руководи­тель А.В. Малышев).

Проведение периодических испытаний на взрывобезо­пасность для серийно выпускаемых ограничителей перенапряжений, а также исследовательские испытания вновь разрабатываемых аппаратов позволяет избежать опасных последствий при возникновении в них внутреннего ко­роткого замыкания.

Далее рассмотрены причины возникновения внутренних коротких замыканий в ограничителях перенапряжений, устройство систем взрывобезопасности в ограничителях различных типов, методы испытания на взрывобезопасность, дана сравнительная характеристика взрывобезопасности ОПН различных конструкций.

Известно, что впускаемые в России и за рубежом ограничители перенапряжений по основным элементам своей конструкции делятся на две группы. К первой относятся аппараты, в которых несущим элементом конструкции является оребренная цилиндрическая покрышка из электротех­нического фарфора, которая одновременно выполняет и функцию внешней изоляции (рис. 4.30). Защитные аппараты в фарфоровом корпусе, выпущенные заводом «Пролетарий» в гор. Ленинграде в 1975 г., были первыми в России металлооксидными ограничителями перенапряжений [1].

 

Рис. 1.6. Ограничитель перенапряжений в фарфоровом корпусе (слева)

и схема его взрывозащитной системы.

Элементами взрывозащитной системы фарфорового ограничителя пе­ренапряжений являются тонкостенные мембраны (поз. 3, рис. 1.6) и сопла для выброса газа во фланцах аппарата (поз. 4). Сопла могут снабжаться устройст­вом для разворота газового потока, как показано на рис. 1.6.

При возникнове­нии дуги короткого замыкания в пространстве между варисторной колонкой (поз. 1) и стенкой фарфорового корпуса (поз. 2) давление газа резко возраста­ет.

В результате при достижении давлением значения 1.5 ÷ 2 Атм тонкостен­ные мембраны (поз. 3) разрываются, открывая доступ дуговому газу в пово­ротные сопла и далее в окружающую среду.

Возникающее в результате газо­динамическое течение обеспечивает сброс давления в корпусе аппарата до необходимого уровня, величина которого ограничена механической прочно­стью конструкции. В качестве допустимого уровня давления при статическом нагружении можно принять 15 Атм.

В этом случае прочность конструк­тивных элементов и их соединений в ОПН в фарфоровом корпусе оказывает­ся достаточной. Фланцевые сопла, разворачивающие поток на 180°, обеспе­чивают образование внешней электрической дуги, шунтирующей внутренний разряд и, обеспечивая таким образом, снижение энерговыделения внутри аппарата.

Ко второму типу ограничителей перенапряжений, который в последние годы получил широкое распространение, относятся аппараты в полимерном корпусе (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Ограничитель перенапряжений в полимерном корпусе.

 

Основным несущим элементом полимерного ОПН является стеклопластиковая труба (поз. 2 рис. 1.7), внутри которой расположена колонка варисторов (поз. 5). При этом ее способность противостоять изгибу и определяет механи­ческую прочность аппарат в целом. Вместе с тем внутренняя труба полимер­ного аппарата одновременно является и элементом взрывозащитной системы.

Взрывобезопасность ограничителя обеспечивается наличием перфора­ционных отверстий в стенке трубы (поз. 3), в нормальном режиме заполнен­ных синтетической композицией СКТН, которая обеспечивает герметичность конструкции.

При возникновении внутренней дуги короткого замыкания за­полнитель под действием дугового газа удаляется из отверстий перфораций, обеспечивая быстрый разрыв внешней полимерной покрышки (поз. 4) на рис. 1.7 и свободное истечение продуктов горения дуги в атмосферу. Поскольку перфорационные отверстия имеют место по всей длине ОПН, то после вы­броса дугового газа через них велика вероятность образования внешней дуги, шунтирующей внутренний разряд.

Полимерная конструкция по сравнению с ОПН на основе электротехнического фарфора в меньшей степени способна к разрушению осколочного типа. Однако при срыве фланцев (поз. 2 на рис. 1.7) возможен вылет в окружающую среду варисторных дисков, составляющих колонку нелинейного резистора (поз. 5 рис. 1.7). Поэтому, как и в случае фар­форовых ОПН, в полимерной конструкции должен иметь место максимально эффективный сброс давления при истечении газа через отверстия перфора­ции.

Одним из вариантов развития полимерной конструкции, призванном обеспечить высокую степень взрывобезопасности, является ОПН, в котором в качестве несущего элемента применяется система параллельных стеклопластиковых стержней, внутри которой расположена колонка варисторов (рис. 1.8).

 

Рис. 1.8. Полимерный аппарат стержневой конструкции.

 

Повысить качество взрывозащитных систем аппаратов ограничения перенапряжений можно путем правильного выбора геометрических пара­метров и конструктивных решений взрывозащитных устройств. Рассмотрим более подробно эти вопросы.

Среди физических явлений, происходящих при мощном дуговом элек­трическом разряде в пространстве, ограниченном демпферной полостью (ка­мерой) фарфоровой ОПН, нас в первую очередь интересуют те, которые кон­тролируют величину давления в корпусе аппарата. Поэтому главным объек­том исследования является интенсивное газодинамическое течение конвек­тивного типа, возникающего при нагреве газа мощной электрической дугой.

Кроме указанных процессов, следует отметить также и абляцию (испарение материала твердой поверхности при ее интенсивном нагреве) поверхно­стей конструкции аппарата, соприкасающихся с дугой. При этом испарение поверхностей может сыграть существенную роль лишь при достаточно высо­кой температуре, которая достигается лишь при относительно длительной их экспозиции. В то же время максимальные значения давления в корпусе ап­парата следует ожидать в начальной стадии короткого замыкания, склады­вающегося из времени открытия взрывозащитных клапанов и времени фор­мирования газодинамической струи выброса сквозь отверстие клапана и со­пла.

Настройки срабатывания клапанной защиты таковы, что мембрана кла­пана разрушается при давлении 1 ÷ 2 Атм. В то же время давления, создавае­мые электрической дугой в корпусе аппарата, достигают десятков атмосфер и в ряде случаев приводят к взрывному разрушению аппарата.

Таким образом, можно сделать заключение, что режим газодинамического течения, в значительной мере зависящий от характерных размеров дуговой камеры и защитных устройств аппарата, самым существенным образом влияет на величину максимального давления. Поэтому необходимо исследование и сравнительный анализ газо­динамических течений, возникающих в условиях испытания аппаратуры ог­раничения перенапряжений на взрывобезопасность.

1.8. Вопросы внешней изоляции.

 

Важнейшим элементом любого ограничителя перенапряжений является его корпус. По требованиям МЭК (публикация 99–4) корпус ограничителя должен выдерживать воздействия следующих напряжений при испытаниях:

– грозовой импульс, равный защитному уровню ограничителя при грозовых перенапряжениях, умноженному на 1,3 (коэффициент 1,3 учитывает изменения атмосферных условий и разрядных токов, превышающих номинальный);

– для ограничителя на 10 и 20 кА и на номинальное напряжение 200 кВ и выше, коммутационный импульс, равный защитному уровню ограничителя при коммутационных перенапряжениях, умноженному на 1,25 (учитывает изменения атмосферных условий и токов, превышающих максимальные значения).

– напряжение промышленной частоты под дождем для ограничителя наружной установки и в сухом состоянии для ограничителя внутренней установки.

Корпуса ограничителей на 1.5, 2.5 и 5.0 кА, а также ограничители, предназначенные для работы при сильных грозовых воздействиях, должны выдерживать напряжение промышленной частоты с амплитудным значением, равным защитному уровню при грозовых импульсах, умноженному на 0,88, в течение 1 минуты.

Корпуса ограничителей на 10 и 20 кА и на номинальное напряжение менее 200 кВ должны выдерживать напряжение промышленной частоты с амплитудным значением, равным защитному уровню при коммутационных импульсах, умноженному на 1,06, в течение 1 минуты.

По зоне загрязнения атмосферы в месте установки ограничителя
выбирается нормируемый путь утечки для данных типа и конструкции
ограничителя в соответствии с ГОСТ 9920.

Более подробно остановимся на определении допустимых размеров изоляционных промежутков на примере ОПН–110 кВ.

Определение допустимых размеров изоляционных промежутков на основании полученных испытательных напряжений обычно проводится по методике СПбГПУ.

В основу этой методики положено определение граничных условий на два важнейших параметра экрана – радиуса R_Э и заглубление относительно высоковольтного фланца ∆ Н_Э. Как видно из рис. 1.9, через эти размеры при известной высоте изоляции Н_Н можно определить величины всех изоляционных промежутков аппарата.

Рис. 1.9. Основные изоляционные расстояния ОПН.

 

Электрическая прочность изоляционных конструкций нелинейных ограничителей перенапряжений в полимерных корпусах с установленной на них экранной системой определяется, в основном, размерами следующих воздушных промежутков.

1. Экран – заземленный фланец.

2. Экран – колонка варисторов.

3. Экран – оребренная покрышка ограничителя.

Промежуток экран – заземленный фланец должен успешно выдерживать как приложение испытательных и эксплуатационного напряжений промышленной частоты, так и воздействия нормируемых испытательных грозовых импульсов перенапряжений.

К напряжениям промышленной частоты по ГОСТ 1516.3 и МЭК 60099–4 относятся испытательное одноминутное напряжение и длительно (в пределе – в течение всего срока службы ОПН) приложенное наибольшее рабочее фазовое напряжение сети, где эксплуатируется аппарат.

В качестве длины изоляционного промежутка экран – заземленный фланец будем принимать размер Н – расстояние по вертикали от края заземленного фланца, обращенного к экрану, до края экрана, обращенного к заземленному фланцу.

Тогда необходимое для надежного выдерживания одноминутного испытательного напряжения U_1минизоляционное расстояние Нможет быть определено через среднее разрядное напряжение этого промежутка при плавном подъеме U_Р:

U_Р = U_1мин / U ^*_Д, (1.2)

 

где U ^*_Д относительное снижение длительно приложенного разрядного напряжения.

U^* _Д =1 – 0,044 ∙ М · (ℓg t_p) (1.3)

М (ℓg t_р) – математическое ожидание логарифма предразрядного времени.

Математическое ожидание логарифма предразрядного времени будет равно

М (ℓg t_р) = ℓg t_БП + 0,5 ·(Z _N + Z_Q ∙β). (1.4)

При лабораторных испытаниях одноминутным приложением напряжения промышленной частоты испытывается один аппарат, то в этом случае N = 1, Z_N = 0, а β =1.

Время приложения напряжения t_БП = 60 секунд, Z_Q = 3,09 – коэффициент, учитывающий уровень надежности изоляционной системы.

М (ℓg t_р) = ℓg60 + 0,5∙3,09 = 3,32;

U_Д^* = 1 – 0,044∙3,32=0,85.

Подставляя (1.4) в (1.3), а затем (1.3) в (1.2), получаем:

U_p = U _{1 мин} / 0,85. (1.5)

В свою очередь, среднее разрядное напряжение связано с длиной изоляционного промежутка соотношением:

Н = (U_p –10) / 351. (1.6)

Подставляя в (1.2), получаем:

Н =(U ₁ мин / 0,85 – 10) / 351. (1.7)

Длина воздушного промежутка Н связана с заглублением экрана ∆ Н_Эотносительно высоковольтного фланца следующим образом:

Н = Н_и – 2 ∙ (∆Н_Э + r _Э). (1.8)

Коэффициент 2 в выражении (1.8) учитывает два экрана в принятой конструкции. Подставляя (1.4) в (1.5), получаем:

∆Н_Э + r_Э = (Н_и – (U ₁ мин / 0,85 – 10) / 351) ∙ 0,5. (1.9)

Таким образом, определена минимально допустимая длина изоляционного промежутка по выражению (1.7) и получено граничное условие (1.9), которое будет использоваться при оптимизации экранной системы ОПН.

Такая последовательность действий предусмотрена методикой [3] и будет последовательно применяться в отношении всех испытательных воздействий и всех изоляционных промежутков аппарата.

Длительное приложение напряжения промышленной частоты даже уровня наибольшего рабочего фазного напряжения приводит к снижению электрической прочности изоляции [2, 3].

При длительном приложении напряжения t_БП = 8,83∙10⁷ с, Z_Q = 3,09; Z_N = 2,45 и β = 0,4. Поэтому выражение принимает вид:

М (ℓg t_р) = lg 8,83 ∙ 10⁷ + 0,5 (2,45 + 3,09 ∙ 0,4) = 9,79.

Тогда U^*_Д = 1 – 0,044 ∙ 9,79 = 0,57, а необходимое по условию надежной работы промежутка при рабочем напряжении значение разрядного напряжения при плавном подъеме будет равно

U_ср = U_нрф / 0,57. (1.10)

В свою очередь среднее разрядное напряжение связано с длиной изоляционного промежутка соотношением

Н = (0,5·U_нрф – 2,85) ∙10^–2 . (1.11)

Подставляя (4.27) в (4.24), получим

(0,5·U_нрф – 2,85) ∙ 10^–2 = Н_И –2 · (∆Н_Э + r_Э), (1.12)

откуда еще одно граничное условие можно записать в виде

∆Н_Э + r_Э = 0,5·[Н_И – (0,5 · U_нрф –2,85) ∙ 10^–2]. (1.13)

Кроме напряжения промышленной частоты, изоляционный промежуток экран – заземленный фланец испытывает воздействие перенапряжений. Нормативные документы задают выдерживаемые испытательные напряжения при грозовых и коммутационных импульсах.

Электрическая прочность промежутков рассматриваемого типа при положительных импульсах перенапряжений значительно ниже, чем при отрицательных. Поэтому длина промежутка может быть определена на основе данных о его разрядных напряжениях при положительных импульсах.

При грозовых импульсах 1,2 / 50 мкс положительный полярности можно определить необходимую длину изоляционного промежутка экран – заземленный фланец по 50 % – ному разрядному напряжению в виде

Н = 0,0019 ∙ U_{0,5 г} – 0,113. (1.14)

Учитывая, что

U_{0,5 г} = U_В.Г. / 1 – 1,3 · σ_Г^*, (1.15)

где U_В.Г. – нормированное испытательное (выдерживаемое) напряжение при грозовых импульсах; σ_Г^*= 0,02 – коэффициент вариации при грозовых импульсах. Теперь для промежутка тороид – плоскость с учетом (1.15), формулу можно переписать в виде:

 

Н = 0,002 · U_В.Г. – 0,113 (1.16)

 

или, переходя к заглублению экрана,

 

∆Н_Э + r_Э = 0,5 · (Н_и – 0,002 · U_В.Г. + 0,113). (1.17)

 

В таблице 1.6. приведены результаты расчетов для U_н = 110 кВ.

 

Определение допустимой величины заглубления.

Таблица 1.6

Вид промежутка	Вид воздействия	Допустимая величина заглубления, м
Экран – зазем–ленный фланец	Одноминутное приложение промышленной частоты под дождем	0,127
Длительное приложение напряжения промышленной частоты	0,174
Грозовой импульс	0,133

 

Испытание коммутационным импульсом отсутствует, так как на ВЛ основными перенапряжениями являются грозовые.

Зная расстояние ℓ между фланцами, диаметр и высоту колонки оксидно-цинковых варисторов, диаметр ребер изолятора, находим допустимые изоляционные расстояния экран – колонки и экран – оболочка.

При правильном выборе экрана ОПН распределение напряжения по колонке близко к равномерному. Тогда напряжение в любой точке А колонки может быть определено по следующей формуле:

u = U – ℓ ·U / H_K, (1.18)

где U – напряжение, приложенное к ОПН; Н_К – высота колонки; ℓ – текущая координата, отсчитываемая вдоль колонки от ее верха. Разность напряжений между экраном и произвольной точкой А колонки составляет:

 

∆u = ℓ · U / H_K (1.19)

 

а при расстоянии между ними

,(1.20)

где ∆L_R = R_Э – r_Э – r_Э – кратчайшее расстояние между экраном и колонкой;

∆Н _Э – заглубление экрана относительно вершины колонки.

Соответственно, средняя напряженность между экраном и колонкой составляет:

Е= . (1.22)

Для нахождения пути с максимальной средней напряженностью необходимо продифференцировать Еи результат приравнять к нулю:

=0. (1.23)

Решения уравнения (4.38) имеет вид:

ℓ_m = ∆H_Э + ∆L_K² / ∆H_Э. (1.24)

Подставляя (1.24) в формулу (1.22), находим максимальную среднюю напряженность:

Е_m= . (1.25)

Необходимо выбрать такие размеры экрана, чтобы максимальная напряженность в промежутке экран – колонка не превышала электрической прочности этого промежутка. При длинах симметричных промежутков до 0,6 м их 50%–ная разрядная напряженность может быть принята равной Е_0,5Г =750 кВ/м.

Подставляя Е_0,5Г в (1.17) и преобразуя полученное выражение, находим формулу, в общем виде описывающую соотношение между размером промежутка экран – колонка и его электрической прочностью при грозовых импульсах:

. (1.26)

Поскольку в конструкции два экрана, выражение (37) принимает вид:

. (1.27)

Для использования формулы (1.27) необходимо знать величину приложенного к ОПН напряжения U. Очевидно, что это напряжение не совпадает с остающимся при протекании через колонку нормированного грозового импульса тока. В качестве выхода из создавшегося положения можно задать U равным 50%–ному разрядному напряжению, которое в значительной степени учитывает условия эксплуатации аппарата. Подставляя (1.22) в (1.23) и учитывая, что

∆L_K = R_Э – r_Э – r_К,

находим выражение удобное для использования

. (1.28)

Отсюда получаем условие:

∆Н_Э – 0,815 · (R_Э + r_Э) + 0,0195 ≤ 0. (1.29)

Необходимое по условию надежной работы математическое ожидание предразрядного времени промежутка определяется по формуле (1.4). Общее время влагоразрядных испытаний составляет 1200 мин; соответственноt_БП= 1200·60 = 7,2 · 10⁴ с. Испытанию подвергается один аппарат, то есть N =1, Z_N =0