Ограничители перенапряжений серии ОПНП
Ограничение коммутационных и грозовых перенапряжений в электрических сетях имеет большое значение для обеспечения надежной работы электротехнического оборудования. Широко применяемые в электрических сетях разрядники серий РВС, РВМ, РВМГ не позволяют обеспечить глубокое ограничение перенапряжений из-за наличия искровых промежутков, отделяющих рабочее нелинейное сопротивление разрядника от сети при отсутствии перенапряжений.
Одним из путей решения поставленной задачи является создание принципиально новых видов защитных аппаратов — ограничителей перенапряжений нелинейных (ОПН) на основе оксидно-цинковых варисторов (ОЦВ) без искровых промежутков. Степень нелинейности их рабочих сопротивлений такова, что они выдерживают длительное воздействие рабочего напряжения, пропуская ток, измеряемый долями миллиампера. При перенапряжениях ток увеличивается до сотен и тысяч Ампер, что и приводит к ограничению перенапряжений. Эта особенность ОПН определяет возможность значительно более глубокого ограничения перенапряжений, чем при использовании разрядников [1].
Современные ОПН позволяют ограничить коммутационные перенапряжения до уровня (1,6–1,8) Uф. н. р. (U ф. н. р. — наибольшее рабочее фазовое напряжение), а грозовые перенапряжения — до уровня (2–2,2) U ф. н. р. При таком глубоком ограничении могут быть сокращены изоляционные расстояния на линиях и подстанциях, а надежность работы внутренней изоляции всего высоковольтного оборудования резко возрастает [1–3].
За последнее десятилетие наблюдается существенный прогресс в разработке новых видов и конструкций ОПН [1–6]. Существенно увеличена допустимая плотность тока при грозовых и внутренних перенапряжениях: до 800–850 А/кв. см — при грозовых и до 40 А/кв. см — при коммутационных импульсах [4, 5]. Такие характеристики варисторов при высокой степени нелинейности их вольтамперной характеристики (ВАХ) обеспечивают возможность значительного уменьшения размеров и массы ОПН, в частности, путем применения варисторов большего диаметра. Такие варисторы заменяют несколько параллельных колонок из варисторов диаметром 28 мм. Это обеспечивает возможность создания одноколонковых ОПН на все классы напряжения. При одноколонковом исполнении обеспечивается максимальная степень использования объема корпуса ОПН, что определяет значительное снижение их массы по сравнению с многоколонковыми конструкциями.
Дальнейшее уменьшение массогабаритных показателей (и тем самым повышение удельных характеристик ОПН) возможно при заливке боковой поверхности варисторов полимерной композицией и при замене фарфоровой покрышки на стеклопластиковую с покрытием из трекинго-атмосферостойких материалов.
Стеклопластик имеет высокую механическую прочность и малый удельный вес в отличие от фарфора. Прочность на изгиб стеклопластиковых цилиндров достаточно высока и составляет около 50 кН/кв. см, удельный вес — около 2 г/кв. см, одноминутная электрическая прочность при переменном напряжении — на уровне 60 кВ/см [4–6]. При таких технических характеристиках разрушение стеклопластикового корпуса практически невозможно, т. к. необходимая толщина стенки корпуса определяется допуском на изгиб при нормированных горизонтальных нагрузках (примерно 1% на каждый метр высоты корпуса) и составляет 4–12 мм при изменении высоты корпуса от 1 до 8 м [2–4]. Кроме того, технология производства стеклопластиковых покрышек различного сечения и нанесение на них защитного покрытия не ограничивают длины покрышки, что позволяет изготавливать ОПН подвесного и опорного исполнения без технологических ограничений по высоте.
ОПН подвесного исполнения имеет существенное преимущество перед аппаратами опорного исполнения. Корпус подвесного ОПН работает только на растяжение и имеет минимальное сечение. Это приводит к существенному улучшению массогабаритных показателей ОПН. Кроме того, подвесной ОПН устанавливается на определенной высоте, при этом паразитные емкости на землю по столбу варисторов минимальные. Это приводит к более равномерному распределению напряжения по высоте аппарата.
ОПН подвесного исполнения могут подвешиваться к проводам воздушных линий непосредственно под поддерживающими гирляндами изоляторов, с креплением заземляющего спуска к стойке опоры, к траверсам опор параллельно гирляндам изоляторов, либо вместо гирлянд изоляторов при условии обеспечения достаточно высокой несущей способности, что вполне реально. ОПН могут также устанавливаться между фазами ЛЭП или подвешиваться к несущим металлоконструкциям подстанций непосредственно вблизи выводов трансформаторов и шунтирующих реакторов, что обеспечивает наиболее глубокий уровень ограничения перенапряжений. При этом площадь поперечного сечения столба варисторов определяется исходя из требуемой и допустимой энергоемкости, с учетом длины импульсов тока и совместной работы ОПН при ограничении всех видов перенапряжений [2–4].
Незначительная толщина стеклопластикового корпуса и возможность повышения теплопроводности полимерных материалов обеспечивают значительное уменьшение теплового сопротивления корпуса и, соответственно, увеличение срока службы ОПН. Стеклопластиковый цилиндр изготавливается методом намотки на соответствующую металлическую оправку пропитанного связующим стеклонаполнителя в виде ткани или жгута.
Длина стеклопластикового цилиндра, изготовленного на базе стеклоткани, ограничивается шириной последнего — около 1 м. Это в свою очередь определяет количество отдельных модулей ОПН выше 110 кВ и препятствует изготовлению таких аппаратов в одноэлементном исполнении.
Для выхода газов в случае повреждения (внутреннего замыкания) варисторов в процессе эксплуатации и снижения механических напряжений во внутренней полости аппарата при естественных термических циклах «нагрев/охлаждение» на теле стеклопластикового цилиндра выполняются специальные отверстия (перфорация) [6]. Эти отверстия заполняются силиконовой резиной при формовании внешнего ребристого защитного покрытия. Количество указанных отверстий и их размеры определяют степень взрывобезопасности конструкции ОПН и возможность снижения механической напряженности во внутренней полости ОПН при естественных термических циклах «нагрев/охлаждение». Узкая полость между варисторами и корпусом (около 1,5 мм), как и пустоты в нижней и верхней частях ОПН, заполняется эластичной полимерной композицией на основе кремниеорганической резины. Поэтому ограничитель перенапряжений полностью герметичен, проникновение влаги внутрь ОПН невозможно, что исключает вероятность искровых перекрытий по внутренней поверхности стеклопластиковой трубы и по поверхности варисторов. Это обстоятельство значительно повышает надежность работы ОПН, а также увеличивает пропускную способность колонок варисторов.
Толщина стенки стеклопластиковых цилиндров не превышает 5–15 мм, обеспечивая необходимую механическую прочность ОПН. Толщина сплошного покрытия из кремниеорганической резины — 5 мм. Поэтому диаметр ОПН на межреберной части корпуса немного превышает диаметр варисторов (максимальное превышение — 35 мм). Малый диаметр корпуса определяет относительно низкую его стоимость. Однако при опорном исполнении таких ограничителей большой высоты необходимо применение изоляционных оттяжек в трех направлениях под углом 120° для обеспечения устойчивости конструкции под воздействием тяжести проводов, ветровых и гололедных нагрузок. Наиболее благоприятны условия работы таких ограничителей при подвесном исполнении, когда корпус ОПН подвергается воздействию только растягивающих усилий, по отношению к которым полимерные корпуса имеют большие запасы прочности.
Все ограничители до 110 кВ выпускаются в цельном корпусе высотой около 1 м [1].
Ограничители на более высокие напряжения выпускаются сборными из двух и более модулей (из-за ограниченности длины стеклопластиковой трубы из стеклоткани). Каждый модуль имеет необходимую высоту, полностью герметизирован, транспортируется и складируется отдельно. Сборка ОПН из отдельных модулей производится на месте установки. При этом соединительным элементом является цилиндрическая муфта с внутренней резьбой, которая наворачивается на стыкуемые оконцеватели модулей. Для обеспечения электрического соединения модулей предусмотрен розеточный контакт, надежно изолированный от металлического оконцевателя. Поэтому токи утечки по поверхности корпусов ОПН при увлажнении их поверхности не могут попасть в столб варисторов, что опасно в связи с возможным перегревом варисторов и преждевременным повреждением.
Выравнивание распределения напряжения вдоль столба варисторов при рабочем напряжении производится с помощью тороидальных экранов — большого диаметра со стороны высокого напряжения и малого диаметра со стороны заземленного конца. Этот способ значительно дешевле, чем способ выравнивания распределения напряжения с помощью шунтирующих варисторы керамических конденсаторов, применяемых в ряде конструкций ОПН. Вместе с тем он обеспечивает значительно большую надежность работы ОПН, поскольку полностью исключает использование конденсаторов, надежность работы которых не высока [1,4].
В промышленности выпускаются ограничители перенапряжений нескольких типоисполнений на каждый класс напряжения. Эти типоисполнения отличаются длительно допустимым рабочим напряжением и расчетным током коммутационных перенапряжений. Основной тип ОПН имеет наибольшее длительно допустимое напряжение, равное наибольшему рабочему напряжению сети. Дополнительный тип ОПН допускает длительное воздействие напряжения, на 5% большее, что определяется особенностями условий эксплуатации участков сети. Однако следует иметь в виду, что повышение длительно допустимого напряжения промышленной частоты приводит к повышению уровня перенапряжений, ограничиваемых ОПН. Поэтому без специального обоснования не следует применять этот дополнительный тип ОПН [1].
Различие расчетного тока коммутационных перенапряжений определяется, как правило, местом установки ОПН. При установке ОПН на выводах (вблизи выводов) силовых трансформаторов, реакторов, измерительных трансформаторов напряжения целесообразно ориентироваться на облегченное их исполнение, поскольку в этих условиях воздействие перенапряжений воспринимается одновременно несколькими ограничителями. Напротив, при установке ограничителей на шинах подстанций на входе линий на подстанцию следует ориентироваться на исполнение повышенной пропускной способности. При этом следует учитывать, что повышение пропускной способности ОПН достигается за счет применения варисторов большего диаметра, стоимость которых увеличивается пропорционально квадрату диаметра варисторов (и даже значительно быстрее, что связано с технологическими трудностями производства варисторов большого диаметра) [1, 7, 8].
Полимерная покрышка не только позволяет значительно снизить вес ОПН, но и значительно облегчает условия работы варисторов в ОПН, что в конечном счете значительно повышает надежность работы ОПН. Дело в том, что кремниеорганическая резина по своим технологическим и прочностным свойствам (как механическим, так и электрическим) позволяет создавать ребра малой толщины (около 7 мм в основании и 2 мм у конца). Поэтому необходимую длину пути тока утечки можно обеспечить большим количеством ребер с небольшим вылетом. При этом повышается эффективность использования длины пути тока утечки и значительно уменьшается напряжение на подсушенном межреберном участке покрышки. Уменьшение напряжения на подсушенных зонах поверхности покрышки приводит к уменьшению дополнительных токов смещения, протекающих через варисторы и вызывающих дополнительный разогрев и ускоренное старение. Поэтому полимерные покрышки определяют значительное преимущество ОПН перед ограничителями с фарфоровыми покрышками.
В связи с этим не требуется увеличения длины пути тока утечки ОПН с полимерными покрышками по сравнению с рекомендуемыми для высоковольтного оборудования, как это принято для ОПН в фарфоровых корпусах [1,9].
Высокая механическая прочность и малая масса ОПН в полимерных покрышках позволяет изготавливать их в подвесном и опорном исполнении и устанавливать их не только на подстанциях, но и непосредственно на линиях, и не только между фазой и землей, но и между фазами. Последнее обстоятельство обеспечивает возможность ограничения междуфазовых перенапряжений до того уровня, что и перенапряжений относительно земли. При этом площадь поперечного сечения столба варисторов определяется исходя из требуемой и допустимой энергоемкости, с учетом длины импульсов тока и совместной работы ОПН при ограничении всех видов перенапряжений.
ОПН могут подвешиваться к вводам воздушных линий непосредственно под поддерживающими гирляндами изоляторов с креплением заземленного спуска к стойке опоры либо к траверсам опор параллельно гирляндам изоляторов, либо вместо гирлянд изоляторов при условии обеспечения достаточно высокой несущей способности, что вполне реально. Они могут также подвешиваться к несущим металлоконструкциям подстанции непосредственно вблизи вводов трансформаторов и шунтирующих реакторов, что обеспечит наиболее глубокий уровень перенапряжений.
Высокие защитные характеристики, простота и надежность конструкции, значительное улучшение массогабаритных показателей обеспечивают технически рациональное и экономически эффективное решение ряда проблем передачи и распределения электрической энергии, в том числе значительное сокращение габаритов линии электропередачи и подстанции, а также уменьшение испытательных напряжений высоковольтных аппаратов и трансформаторов.
Наряду с преимуществами, получаемыми у потребителя в энергосистемах, внедрение новых защитных аппаратов с полимерной изоляцией обеспечивает значительные технико-экономические выгоды предприятию-изготовителю ОПН: замена фарфора более дешевым материалом, экономия цветных металлов, сокращение производственных площадей, повышение производительности труда.
Сравнение технико-экономических показателей показало, что стоимость одноколонковых ОПН в полимерных корпусах меньше стоимости ОПН в фарфоровых корпусах, причем это различие возрастает при увеличении класса напряжения.
Актуальность представленной в статье проблемы создания принципиально новых видов защитных аппаратов — одноколонковых ОПН с полимерной изоляцией — очевидна. Наиболее значимые аспекты этой проблемы, новые возникающие вопросы и их решения докладываются и обсуждаются в течение 35 лет на многочисленных международных, всесоюзных и российских конференциях, симпозиумах, семинарах, совещаниях. Последний доклад по данной теме был сделан на Международной научно-технической конференции «Полимерные изоляторы и изоляционные конструкции высокого напряжения», организованной совместно с Исполнительным комитетом электроэнергетического совета СНГ, а также «ФСК ЕЭС», «НИИПТ» и Петербургским энергетическим институтом повышения квалификации (ПЭИПК) 16 — 19 июня 2008 г. в Санкт-Петербурге.
Результаты исследований по новому типу ОПН уже внедрены на различных отечественных и зарубежных предприятиях по производству ОПН, полимерных изоляторов и изоляционных конструкций аппаратов высокого напряжения. Изготовленные согласно разработкам ОП, изоляторы и изоляционные конструкции электрических аппаратов различных типов и классов напряжений широко эксплуатируются начиная с середины 70-х годов в различных энергосистемах Российской Федерации, стран ближнего и дальнего зарубежья.
Литература
1. Александров Г. Н., Гусейнов Г. А. «Нелинейный ограничитель перенапряжений серии ОПНП». Сборник трудов Второго международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо-2002». — Санкт-Петербург: Изд. «Нестор», 2002 г., с. 152–157
2. Александров Г. Н., Гусейнов Г. А. «Оптимизация конструкции ОПН для работы в районах с повышенным загрязнением атмосферы». // «Электротехника», №3, 1988 г.
3. Гусейнов Г. А. и др. «Устройство для защи-
ты от перенапряжений». А. с. 1066424, НО1Т1/
16, НО1С 7/12, 1983 г.
4. Гусейнов Г. А. и др. «Устройство для защиты от перенапряжений». Патент на изобретение 2313842, Н01С 7/12, Н01Т 4/02, 2008 г.
5. Гусейнов Г. А. и др. «Ограничение коммутационных и грозовых перенапряжений одноколонковыми ограничителями перенапряжений». // «Энергетика», №9, 1986 г.
6. Титков В. В. «Проблемы взрывобезопасности полимерных ограничителей перенапряжений». Тезисы докладов на Международной научно-технической конференции «Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования», выпуск 5, ПЭИПК, 2006 г.
7. Гусейнов Г. А. и др. «Способ изготовления устройства для защиты от перенапряжений».
А. с. 1015782, НО1С 7/12, НО1Т 1/16, 1983 г.
8. Гусейнов Г. А. и др. «Устройство для защи-
ты от перенапряжений». А. с. 1032931, НО1С 7/
12, НО1Т 1/16, 1983 г.
9. Гусейнов Г. А. и др. «Устройство для защиты от перенапряжений». А. с. 1066424, НО1Т 1/16, НО1С 7/12, 1983 г.
| Автор: Г. А. Гусейнов Дата: 20.10.2008 Журнал Стройпрофиль 7-08 Рубрика: электротехническое оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |