Методи контролю внутрішної ізоляції 3 страница

13.3.Вентильні розрядники

Для захисту електроустаткування підстанцій використовують вентильні розрядники РВ і нелінійні обмежувачі перенапруги ОПН.

Основним елементом вентильного розрядника є багаторазовий іскровий проміжок, з'єднаний послідовно з резистором, що має нелінійну ВАХ. Грозовий імпульс пробиває іскровий проміжок і через РВ протікає струм, який створює падіння напруги на резисторі. Завдяки нелінійній ВАХ напруга на резисторі змінюється мало при значних коливаннях імпульсу струму. Важлива характеристика РВ – залишкова напруга U_зал на резисторі при визначеному імпульсному струмі (5¸14 кА), яка зветься струмом координації, Вона повинна бути, як і пробивна U_пр, на 20¸25% нижча розрядної напруги ізоляції. Услід за імпульсним струмом через РВ йде супровідний струм промислової частоти. При цьому опір резистора різко зростає, струм обмежується (при U_роб) і при переході через «0» дуга гасне. Найбільша напруга промислової частоти на РВ, при якій надійно обривається супровідний струм, називається напругою гасіння U_гас, а відповідний супровідний струм – струмом гасіння.

Гасіння супровідного струму може здійснюватися в умовах однофазного замикання на землю. Тому як за напругу гасіння U_гас приймають напругу на неушкоджених фазах при однофазному замиканні на землю:

, (13.1)

тут – номінальна лінійна напруга; – коефіцієнт залежний від способу заземлення нейтралі: для пристроїв із заземленою нейтраллю k_з = 0,8; для ізольованої нейтралі k_з = 1,1.

Дугогасна дія іскрового проміжку РВ характеризується коефіцієнтом гасіння:

, (13.2)

де – пробивна напруга іскрових проміжків.

Захисна дія нелінійного резистора також характеризується коефіцієнтом захисту

. (13.3)

Для надійного захисту ізоляції підстанцій ВСХ багаторазового іскрового проміжку повинна бути положистою. Схема заміщення багаторазового іскрового проміжку представляє ємнісний ланцюжок, подібно до схеми заміщення гірлянди. Імпульсна напруга по ланцюжку розподіляється дуже нерівномірно, забезпечуючи швидкий каскадний пробій одиничних проміжків. Це разом з попередньою іонізацією забезпечує низькі коефіцієнти імпульсу і положистий характер ВСХ вентильного розрядника (рис.13.3).

Рис.13.3.- Вольт-секундна характеристика РВМГ-220

Нелінійний резистор виготовлений з порошку електротехнічного карборунду SiС, частинки якого вкриті тонким непровідним шаром (100 мкм) SiО₂. При U_роб опір цього запорного шару R_шару = 10⁶ Ом×м. При напрузі U_проб. - опір стає 10^-2 Ом×м і імпульсний струм прямує в землю. Властивість матеріалу різко змінювати свій опір залежно від U, забезпечуючи проходження дуже великих струмів при високих напругах і малих струмів при малих напругах, називаєють вентильністю.

Пропускна спроможність розрядника характеризується максимальним значенням імпульсу струму тривалістю 20÷40 мкс і струмом прямокутної форми тривалістю 2 мс. Цей режим РВ повинен витримати не менш 20 разів.

Іскровий проміжок РВ (рис.13.4) містить меканітові шайби, де через різні ε повітря і меканіта виникає іонізація. Пробій відбувається при коефіцієнті імпульсу»1. Гасіння дуги засноване на нестабільному горінні короткої дуги в проміжку з холодними електродами. Для збільшення струму гасіння використовують магнітне гасіння дуги постійним магнітним полем, за рахунок її обертання та інтенсивного охолодження. У цьому випадку струм гасіння зростає на порядок (проти 100 А в проміжках з нерухомою дугою).

Рис.13.4.- Схема вентильного розрядника. 1- фарфоровий корпус; 2- пружина; 3-кришка: 4- блок іскрового проміжку; 5- шунтуючий резистор; 6- робочий резистор; 7- прокладка; 8- металевий диск.

При крутих фронтах імпульсу нерівномірність розподілу напруги зменшує коефіцієнт імпульсу k_і <1. Щоб утримати його близьким до 1, розрядники на напруги понад 1000 кВ комплектують екрануючими кільцями, які вирівнюють розподіл напруги по іскрових проміжках.

Вентильні розрядники поділені на чотири групи: найкращі захисні характеристики у розрядників РВ-1, вони мають найменшу величину залишкової напруги.

IV група – РВП (підстанційний) і РВО (полегшений) – для захисту сільських мереж на напругу 3¸10 кВ.

III група – РВС (станційний) – для захисту електроустаткування 15¸220 кВ.

РВМ – (3¸35 кВ) магнітний на напругу 110¸500 кВ – серія РВМГ (магнітний, грозовий) – відноситься до II групи.

ДО І групи відносяться розрядники РТВ – (струмообмежуючий) і РВРД (з дугою, що розтягується).

Комбіновані розрядники РВМК (рис.13.5) призначені для обмеження як грозових, так і внутрішніх перенапруг 330¸750 кВ. У них частина резистора зашунтована додатковим іскровим проміжком, який при внутрішніх перенапругах не пробивається (струм менше 1,5 кА), а при струмах більше 1,5 кА частина резистора шунтуєтся і залишкова напруга знижується.

а б

Рис.13.5.а-Схема розрядника РВМК; б) вольт-амперна характеристика РВМК.

13.4.Обмежувач перенапруг нелінійний (ОПН)

Недолік РВ – мала нелінійність резистора, внаслідок чого на ньому падає залишкова напруга, яка прикладена до лінії. Тому імпульс перенапруги обмежується лише частково і продовжує рухатись по лінії, набігаючи на електроустаткування. На основі оксиду цинку (ZnО) розроблено більш ефективний тип захисних апаратів – ОПН, перевага яких полягає в глибокому обмеженню перенапруг, у тому числі міжфазних, за рахунок значно більшої нелінійності резистора, ніж у РВ. Апарат має малі габарити та велику пропускну здатність імпульсних струмів. ОПН комплектують у вигляді паралельно з'єднаних стовпчиків з дисків Æ28 і висотою 8 мм. Число стовпчиків варіюється від 4 (на 110 кВ) до 30 (на 750 кВ). Коефіцієнт нелінійності ОПН при комутаційних перенапругах дорівнює 0,03¸0,05, при грозових – 0,07¸0,1. Висока нелінійність забезпечує проходження струмів від часток міліампера до декілька кілоампер, що дозволяє підключати його до мережі без іскрового проміжку. У ОПН немає поняття напруги гасіння, але тривалий вплив резонансних перенапруг, обумовлює проходження великих струмів і може привести до порушення теплового балансу і руйнування апарату. Тому для ОПН обмежено час впливу підвищеною напругою від 0,15 с до 20 хв. ОПН дозволяє глибоко обмежувати і міжфазні перенапруги за допомогою схеми з іскровими проміжками (рис.13.6).

Рис.13.6.- Схема підключення ОПН з іскровими проміжками: НР1, НР2 – нелінійні резистори; ІП – іскровий проміжок.

При комутаційних перенапругах, які завжди несиметричні, пробиваються іскрові проміжки IП. Резистори НР2–з’єднуються паралельно, а резистори НР1 – попарно на міжфазні напруги. При відновленні нормального режиму струм в ІП зменшується до міліамперів і дуга в них гасне.

13.5.Довго-іскрові розрядники (РДІ)

При грозовому перекритті ізоляції імовірність встановлення силової дуги Р_д залежить в основному від середньої напруженості електричного поля в каналі перекриття:

, (13.4)

тут U_ф – фазна напруга в лінії, L – довжина перекриття, м; Е = U_ф / L –6 - середня напруженість електричного поля на шляху перекриття. Тому за рахунок збільшення L можна знизити напруженість в розрядномупроміжку і імовірність встановлення силової дуги Р_д, скоротивши число відключень лінії. Розрядний проміжок РДІ в декілька разів довший, ніж товщина захищаємої ізоляції, але має нижчу імпульсну електричну міцність, ніж міцність ізоляції. Це пояснюється особливостями ковзного розряду, який розвивається по поверхні ізоляційного проміжку. Згідно формули (5.2) напруга ковзного розряду вона слабо залежить від відстані між електродами, тому великі проміжки L можуть бути перекриті при відносно малих напругах. Цей ефект ковзного розряду покладено в основу конструкцій довго-іскрових розрядників.

Рис.13.7.- Підключення РДІ-П до лінії: 1 – лінія; 2 – ізолятор; 3 – іскровий проміжок; 4 – РДІ-П; 5 – заземлена опора.

Розрядник типу РДІ-П (петлевий) виконано (рис.13.7) з металевого стержня покритого шаром поліетиленової ізоляції і согнутого у вигляді петлі, який за допомогою зажиму кріпиться до заземленого електроду опори. В середній частині петлі надіта металева трубка, а між нею і проводом лінії встановлено іскровий проміжок. Внаслідок великої ємності між металевою трубкою і стрижнем, вся напруга виявляється прикладена між проводом та трубкою. При пробої іскрового проміжку перенапруга прикладається між трубкою та металевим стрижнем, внаслідок чого з трубки вздовж поверхні ізоляції розвивається ковзний розряд до замикання його через вузол кріплення на заземлення. Завдяки великої довжині L каналу перекриття по поверхні петлі, середня напруженість електричного поля в каналі розряду при напрузі промислової частоти складає ≈ 7 кВ/м. Зокрема, при товщині поліетиленової ізоляції 4 мм і довжині петлі 80 см при дії грозового імпульсу напруга пробою розрядника складає U_50% = 100 кB, а ізоляції –U_50% = 130кВ. При струмах I_кз < 300 А силова дуга не виникає і лінія продовжує працювати без відключення. РДІ-П використовують для захисту ЛЕП 6-10 кВ від індукованих грозових перенапруг, які найбільш поширені на таких лініях.

Різновидом такого розрядника є РДІ-М (модульний), який складається з двох відрізків кабелю з корделем, в якості якого використано напівпровідниковий матеріал.

а) б)

Рис.13.8.- а) конструкція розрядника РДІ-М; б) схема заміщення

Відрізки кабелю з’єднані таким чином, що утворюють три розрядних модулі (рис.13.8). Відрізки напівпровідникового корделю приєднані до металевих електродів через внутрішні іскрові проміжки. При появі грозового імпульсу вони перекриваються і напівпровідниковий кордель верхнього відрізку кабелю, який має опір R, виносить високій потенціал U на поверхню нижнього відрізку кабелю в його середній частині. Аналогічно напівпровідниковій кордель нижнього відрізку кабелю виносить низькій потенціал «0» на поверхню верхнього відрізку кабелю в його середній частині. Тому до кожного розрядного модуля одночасно прикладена повна напруга U, і для усіх 3-х розрядних модулей створюються умови для одночасного розвитку ковзних розрядів, які утворюють єдиний довгій канал перекриття. Вольт-секундна характеристика РДІ-М розташована значно нижче, ніж у РДІ-П, тому ефективність захисту розрядника модульного типу вища, ніж петлевого.

Розрядник типу РДІ-ІТ (ізоляційна трубка) виконано у вигляді ізоляційної трубки, що розташована на проводі лінії і утворює довгій проміжок для каналу ковзного розряду по її поверхні (рис.13.9).

Рис.13.9.- Розрядник ІРДІ-ІТ: 1- провід; 2 – ізоляція; 3 – металева трубка; 4 – ізолятор; 5 – заземлена опора; 6 – іскровий проміжок.

Встановлення таких розрядників на проводах ВЛ підсилює основну ізоляцію лінії і підвищує надійність її роботи. РДІ-ІТ захищає ВЛ як від індукованих, так і прямих ударів блискавки в провід.

Рис.13.10.- Схема ізолятора-розрядника; 1-внутрішній електрод; 2-кріплення; 3- провід; 4-корпус; 5-заземлений електрод.

ІРДІ (ізолятор-розрядник - рис.13.10) забезпечує довгий шлях проходження імпульсного перекриття по спіральному каналу навколо тіла ізолятора зі спіральними ребрами завдяки наявності направляючого електрода, який створює високу напруженість електричного поля на початку каналу розряду, що сприяє розвитку ковзного розряду. При цьому градієнт потенціалу в каналі перекриття дуже малий, що запобігає виникненню силової дуги.

Запитання для самоконтролю.

1.Які функції виконують апарати захисту від перенапруг?

2.Сформулюйте принцип дії захисних проміжків.

3.Опишіть конструкцію та принцип дії трубчастих розрядників.

4.Опишіть конструкцію та принцип дії вентильних розрядників.

5.Що таке «струм координації» та «струм гасіння»?

6.Який зміст має параметр «коефіцієнт захисту»?

7.Наведіть класифікацію вентильних розрядників.

8.Сформулюйте принцип дії нелінійних обмежувачів.

9.Принцип дії та конструкції довгоіскрових розрядників (РДІ).

10.Типи, характеристики й сфера застосування РДІ.

РОЗДІЛ 14

ХВИЛЬОВІ ПРОЦЕСИ В ЛЕП

14.1 Рівняння хвильового процесу

Хвильовий процес в лінії виникає при будь-якому електромагнітному збудженні: включенні або відключенні лінії, КЗ, ураженні розрядом блискавки. Диференційні рівняння хвильового процесу в ЛЕП мають вигляд

; , (14.1)

де L ₀, C ₀ – індуктивність і ємність одиниці довжини ЛЕП.

Рішенням їх є хвильові функції, або хвилі напруги й струми:

. (14.2)

Тут – хвильовий опір лінії,

– швидкість розповсюдження хвилі.

С – швидкість світла: 300 м/мкс. (для ЛЕП V≈C)

U⁺ = F⁺(x – Vt) – пряма набігаюча хвиля напруги,

U^-=F^- (x + Vt)– зворотна хвиля напруги.

Звідси струм і напруга прямих та зворотних хвиль співвідносяться:

; . (14.3)

Хвильовий опір однопровідної ЛЕП:

, (14.4)

тут h – висота підвісу проводу; r – радіус проводу.

Індуктивність і ємність ЛЕП довжиною l:

, . (14.5)

Для ЛЕП з однопровідними проводами фаз Z = 450 – 550 Ом,

Для ЛЕП з розщепленими проводами фаз Z = 350 – 400 Ом.

14.2.Заломлення і відбиття хвиль

Навантаження лінії –це комбінація R, L, C.

Рис.14.1.- Схема хвильового процесу.

– падаюча (набігаюча) хвиля напруги та струму в точку А;

– відбита хвиля напруги та струму в точці А;

– заломлені хвилі напруги та струму.

Визначимо напругу і струм заломленої хвилі, переписавши дифрівняння таким чином:

і складемо їх.

Тоді: – це рівняння справедливе в будь-якій ділянці ЛЕП в тому числі в точці «А», де напруга U – це напруга в навантаженні Z_н.

Рис.14.2.- Схема заміщення хвильового процесу.

Відбита хвиля: . Зв'язок набігаючої хвилі U⁺ з заломленою U і відбитою U^- можна записати через коефіцієнти заломлення α та відбиття β: ; ,

де – коефіцієнт заломлення; (14.6)

– коефіцієнт відбиття. (14.7)

Якщо лінія розімкнена (, , ), то хвиля напруги відбивається із збереженням знаку, а хвиля струму – із зміною знака. Таким чином напруга подвоюється, а струм стає рівним нулеві.

Якщо лінія замкнена (, , ), – хвиля напруги відбивається із зворотним знаком, а хвиля струму – із збереженням знака. Таким чином, напруга дорівнює нулеві, а струм подвоюється.

14.3.Імпульсна корона на проводах ЛЕП.

Заряд q на проводі при дорівнює:

, (14.8)

де B – коефіцієнт, що показує ступінь деформації і затухання хвилі і залежить від діаметра проводу. Диференціальні рівняння хвильового процесу на лінії при імпульсній короні мають вигляд:

. (14.9)

Тут – динамічна ємність проводу: .

Із (14.8) випливає:

. (14.10)

Тоді діфрівняння (14.9) приймають вигляд:

; . (14.11)

Рішенням цих рівнянь є хвильова функція: .

Тут – швидкість розповсюдження хвилі з короною, яка залежить від напруги (рис.14.1):

(14.12)

Рис.14.1.-Залежність швидкості імпульсної корони від напруги.

Для повітряної ЛЕП: , – швидкість світла.

Звідки деформація фронту хвилі на відстані l:

, (14.13)

оскільки 2 B∙U << 1.

Імпульс перенапруги розповсюджується по лінії, деформуючись і затухаючі за рахунок імпульсної корони і опору заземлення. Фронт імпульсу подовжується завдяки зворотної залежності швидкості V_к від напруги імпульсу, а амплітуда знижується за рахунок активних втрат струму.

Запитання для самоконтролю

1.Напишіть рівняння хвильового процесу в лінії.

2.Чому дорівнює хвилевий опір лінії?

3.Накресліть схему заміщення хвильового процесу.

4.Що таке коефіцієнт відбиття та переломлення?

5.Чому дорівнюють коефіцієнти α і β при розімкненій лінії?

6.Чому дорівнюють коефіцієнти α і β при замкненій лінії?

5.Як впливає імпульсний коефіцієнт на хвилю перенапруги?

6.Чому відбувається подовження фронту імпульсу перенапруг?

7.Як залежить швидкість імпульсної корони від напруги?

15.БЛИСКАВКОЗАХИСТ ПОВІТРЯНИХ ЛІНІЙ

15.1.Інтенсивність грозової діяльності

Повітряні ЛЕП щорічно десятки разів на кожні 100 км уражаються блискавкою, що викликає проходження великого струму і появу високої імпульсної напруги. Тому на металевих опорах використовують 1–2 заземлених троси, розташованих вище фазних проводів. Але трос не виключає можливість появи високих потенціалів на опорі при ударі блискавки, що може причинити розряд з опори на провід.

Імовірність перекриття ізоляції ЛЕП оцінюють виходячи з параметрів лінії, імпульсної електричної міцності гірлянд ізоляторів і імовірності величини струмів блискавки. Число перекриттів визначають таким чином:

. (15.1)

По шляху перекриття ізоляції проходить струм робочої частоти (струм КЗ). Якщо дуга КЗ горить стійко, то лінія відключається і потрібний АПВ. При інженерних розрахунках оцінюють імовірність переходу імпульсного перекриття в стійку дугу за середньою напруженістю електричного поля Е_ср уздовж шляху перекриття l_пер при найбільшій робочій напрузі:

, кВ/м (15.2)

Для ліній на дерев'яних опорах і довгих повітряних проміжках імовірність виникнення стійкої дуги Р_д:

. (15.3)

Для ліній на металевих опорах при номінальній напрузі до 220 кВ приймають ; при напругах 330 кВ і вище - .

Число відключень на 100 км ЛЕП в районі зі 100 грозовими годинами на рік:

, (15.4)

де – середня висота підвісу троса або проводу.

На ЛЕП 6¸35 кВ з ізольованою нейтраллю і металевими або залізобетонними опорами троси не використовують, оскільки при будь-якому струмові блискавки відбувається зворотне перекриття з троса на провід. Тому застосовують АПВ і встановлюють дугогасні реактори струму однофазного замикання на землю. Отже існують два методи зменшення числа грозових відключень лінії:

- зменшення імовірності перекриття Р_пер;

- зменшення імовірності переходу перекриття в стійку дугу КЗ - Р_д.

Перший метод реалізується підвіскою тросових блискавковідводів і створенням малого імпульсного опору заземлення.

Другий метод реалізується подовженням шляху перекриття, що призводить до зниження в ньому середньої напруженості поля, або використанням дугогасних реакторів у мережах 6¸35 кВ, які значно збільшують імовірність загасання дуги. З умов надійності електропостачання припустиме число відключень ЛЕП у рік приймають рівним:

, (15.5)

де N_доп – допустиме число перерв електропостачання на рік. N_доп ≤0,1– без резервування; N_доп ≤1– з резервуванням; – коефіцієнт успішності АПВ, який дорівнює 0,8¸0,9 для ЛЕП 110 кВ та більше на металевих та залізобетонних опорах.

15.2. Грозостійкість ЛЕП без тросів

Удар блискавки в провід супроводжується розтіканням струму I_б в обидва боки, і амплітуда хвилі перенапруги дорівнює:

, (15.6)

де – хвильовий опір проводу ≈ 300 Ом (з урахуванням імпульсної корони). При коронуванні ємність проводу зростає і тому знижується Z_пр. На ЛЕП з металевими опорами імпульс перенапруги U при струмі блискавки 5¸10 кА (300¸3000 кВ) призводить до перекриття гірлянди. Імпульс перенапруги на ураженому проводі індуктує напругу на сусідньому проводі і між ними виникає різниця потенціалів U_рп:

, (15.7)

де k – коефіцієнт електромагнітного зв'язку між проводами, який з врахуванням імпульсної корони дорівнює 0,25¸0,4.

Імовірність перекриття лінійної ізоляції розраховують за критичним значенням струму блискавки І_кр, який визначається з умови рівності діючої напруги U_д, і імпульсної розрядної напруги ізоляції згідно формули: – для металевих і залізобетонних опор.

Тут розрядний проміжок – гірлянда, тому існує імовірність виникнення дуги і велика імовірність перекриття ізоляції Р_пер. Отже, ЛЕП- 110 кВ і вище захищають тросовими блискавковідводами по усій довжині. Критичне значення струму для дерев’яних опор:

. (15.8)

Тут низьке число відключень лінії без тросів пов’язане з малою імовірністю переходу імпульсного перекриття в стійку дугу завдяки дерев′яній траверсі, яка збільшує електричну міцність ізоляції.

ЛЕП-35 кВ на металевих опорах (з ізольованою нейтраллю) при наявності дугогасійних котушок (ДГК) мають . Тому грозові відключення таких ЛЕП звичайно відбуваються тільки при дво- або трифазних перекриттях. Тут доцільно застосовувати додаткові штучні заземлювачі для зменшення опору заземлення опор R_і.

Якщо розряд блискавки попадає в провід на невеликій відстані від опори, то через заземлювач проходить повний струм блискавки й опора виявляється під високим потенціалом:

(15.9)

На сусідньому проводі наводиться потенціал:

(15.10)

і перекриття його ізоляції відбудеться при:

. (15.11)