Защитные аппараты от перенапряжений на основе оксидно-цинковых варисторов (ОПН) находят всё большее применение в электрических сетях. Однако эффективность использования ОПН в сетях различного напряжения и состава существенно зависит от правильного выбора характеристик аппарата. Проектировщики и эксплуатационники должны иметь достоверную информацию о тех параметрах ОПН, которые необходимо учитывать при их установке. Требуется индивидуальный подход к выбору ОПН. Так считает наш автор из Новосибирского ГТУ и дает свои рекомендации по выбору защитных аппаратов.

Кира Кадомская, д.т.н. профессор кафедры «Техника и электрофизика высоких напряжений» Новосибирского государственного технического университета Нелинейные ограничители перенапряжений Критерии выбора для разных условий эксплуатации

Нормируется пять классов энергоемкости ОПН:

1. до 2 кДж/кВ
2. до 2,5–3,0 кДж/кВ
3. до 4,0–4,5 кДж/кВ
4. до 7 кДж/кВ
5. до 10 кДж/кВ

Основные требования к ОПН Приведем основные характеристики ОПН, которые необходимо учитывать при выборе аппарата для защиты изоляции электрооборудования конкретной сети:

• аппарат должен длительно выдерживать напряжение определенного уровня. Эта характеристика называется наибольшим длительно допустимым напряжением – U_НРО (в зарубежных каталогах U_C) в кВ_{действ.};
• зависимость допустимого напряжения на аппарате от времени его воздействия – временная характеристика. Диапазон времен воздействия, содержащийся в каталогах на ОПН, составляет обычно от 0,1 с до 20 мин;
• защитные уровни аппарата при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений, характеризуемые вольт-амперной характеристикой (ВАХ) рабочего сопротивления ОПН. ВАХ дается обычно в каталогах применительно к воздействию на аппарат волны определенной формы. Так, ВАХ при воздействии коммутационных волн задается при воздействии достаточно длинной волны 30/60 мкс, ВАХ при воздействии грозовых перенапряжений задается при воздействии как полной волны (8/20 мкс), так и короткой волны (например, 1,2/2,5 мкс). Таким образом, защитные характеристики аппарата зависят от длительности воздействующих на них волн напряжения;
• существенной характеристикой, определяющей надежность эксплуатации самого аппарата, является его энергоемкость, т.е. способность поглощать определенную энергию в течение однократного срабатывания. Во время коммутаций аппарат может срабатывать несколько раз через достаточно малые интервалы времени, в течение которых он не успевает охладиться. Поэтому при осуществлении таких коммутаций следует учитывать суммарную энергию, поглощенную ОПН в течение всего переходного процесса. В настоящее время все аппараты классифицируются по величине поглощаемой во время единичной коммутации удельной энергии – классы энергоемкости ОПН. Удельная энергия определяется, как:
  W_уд = W / U_НРО (кДж/кВ),
  где W – энергия, поглощаемая в варисторах ОПН в течение единичной коммутации.

Классификация электрических сетей для выбора ОПН
Приведенные выше основные характеристики защитного аппарата типа ОПН предопределяют те предварительные расчеты, которые должны быть проведены при выборе аппаратов. Условия эксплуатации ОПН зависят как от класса напряжения, так и от состава сети.
В связи с этим сети могут быть классифицированы в зависимости от режима заземления нейтрали:

• сети среднего напряжения 6–35 кВ с изолированной нейтралью или нейтралью, заземленной через резистор или дугогасящий реактор (ДГР);
• сети высокого напряжения (выше 110 кВ), эксплуатируемые при глухозаземленной нейтрали.

Рис 1: Эскиз расположения ОПН на опоре(ОПН подключен через искровой промежуток)

Условия эксплуатации ОПН

1. В сетях с глухим заземлением нейтрали на подстанциях...
   Наибольшее длительно допустимое напряжение на аппарате (U_НРО) должно превышать наибольшее рабочее фазное напряжение сети. В случае же, если в течение достаточно длительного времени напряжение в месте установки ОПН превышает наибольшее рабочее напряжение, необходимо, чтобы выполнялось условие:
   U_НРО @ k_UНР , где k>1. В качестве расчетных воздействий при установке ОПН на шинах или на трансформаторах, не коммутируемых вместе с ВЛ, должны приниматься стационарные режимы при несимметричном КЗ на шинах подстанции. При установке ОПН на подстанции за линейным выключателем (на линии) или на шунтирующем реакторе, в качестве расчетных коммутаций следует принимать включение ненагруженной ВЛ в цикле АПВ с учетом разброса в действии полюсов выключателя или в цикле ОАПВ. В ряде схем следует учитывать также коммутацию одностороннего отключения ВЛ при действии автоматики приращения асинхронного хода.
   Все эти расчеты в настоящее время целесообразно производить с помощью соответствующих программ, в том числе широко используемой в мировой практике исследования электромагнитных переходных процессов в электрических сетях программы EMTP (ATP). При проведении расчетов необходимо регистрировать как максимумы токов в ОПН, так и удельную энергию, поглощаемую в аппаратах в течение переходного процесса. Выбор характеристик ОПН в сетях высоких классов напряжения изложен в документе, изданном РАО «ЕЭС России» [1].
   
   ...на опорах ВЛ
   В последнее время рассматривается возможность повышения надежности эксплуатации линейной изоляции путем установки защитных аппаратов типа ОПН на опорах ВЛ.
   Эффективность этой меры, в частности, подтверждается опытом эксплуатации подвесных ОПН в электрических сетях Японии. Так, на двухцепных ВЛ, где ОПН установлены на каждой фазе, двухцепных повреждений не наблюдалось, одноцепные повреждения наблюдались примерно в 60% случаев, а в 40% случаев повреждения линейной изоляции ВЛ отсутствовали. На ВЛ же, не оснащенных подвесными ОПН, в 60% случаев наблюдались двухцепные повреждения, в остальных случаях – одноцепные повреждения.
   Возможными объектами такой защиты линейной изоляции от грозовых перенапряжений могут являться высокие переходные пролеты через водоемы и другие преграды на рельефе трассы ВЛ, участки ВЛ с ослабленной изоляцией, двухцепные электропередачи с вертикальной подвеской проводов, участки трассы ВЛ, проходящей через районы с локальной повышенной грозопоражаемостью, а также в гололедных районах, где подвеска тросов нецелесообразна. При разработке подвесных аппаратов должны учитываться следующие основные обстоятельства:
   • аппараты не должны срабатывать при коммутационных перенапряжениях, сопровождающих эксплуатацию линии (защита от перенапряжений этого вида возлагается на аппараты, установленные на подстанциях);
   • требования к токовым и энергетическим характеристикам аппаратов зависят от варианта их расположения на опорах ВЛ (на каждой опоре или через несколько опор, на всех фазах ВЛ или лишь на тех фазах, которые наиболее часто поражаются молнией, и т.д.);
   • способ присоединения ОПН к проводам ВЛ – безыскровой или через искровой промежуток. Оба способа присоединения подвесного ограничителя к фазным проводам имеют как преимущества, так и недостатки. К основным преимуществам искрового присоединения можно отнести отсутствие постоянно протекающего тока в нормальном эксплуатационном режиме. Недостатком этого типа защиты является достаточно сложная координация пробивных напряжений открытых искровых промежутков с разрядными напряжениями защищаемой линейной изоляции. При выборе способа присоединения аппарата к проводу прежде всего должны учитываться всякого рода внешние факторы: загрязнения изоляторов и ОПН, возможность длительного воздействия повышенного напряжения промышленной частоты и др.
   Эскиз расположения ОПН на опоре приведен на рис.1.
   Расстановка ОПН на фазных проводах ВЛ зависит от конструкции линии: на двухцепных ВЛ зачастую можно устанавливать аппараты лишь на верхних фазах, на ВЛ одноцепного исполнения с горизонтальным расположением фазных проводов – лишь на крайних фазах. Поскольку определяющими воздействиями являются грозовые волны, то при оценке токовых и энергетических воздействий на подвесные ОПН следует учитывать ориентировку канала лидера молнии. Так, на опорах стандартной конструкции ВЛ 500 кВ амплитуда волны тока молнии, вероятность превышения которой составляет 0,05, при неучете ориентировки составляет 84 кА, а при её учете – 45–50 кА. Вероятности прорыва молнии на провода этой ВЛ составляют соответственно 0,87 и 0,55.
   Исследования [2] показали, что при установлении требований к ОПН, расположенным на опорах ВЛ 330–1150 кВ с сопротивлением заземления, не превышающим 10 Ом, следует рассматривать лишь волны, возникающие при прямом ударе молнии в провод ВЛ. Расчетными случаями для ВЛ 110–220 кВ являются как прямой удар в провод при прорыве молнии сквозь тросовую защиту, так и удар молнии в опору или в трос вблизи от опоры. В случае же повышенных сопротивлений заземления опор (более 10 Ом) для всех классов ВЛ необходимо учитывать удары молнии как в опоры, так и в фазные провода.
   На токовые воздействия при грозовых перенапряжениях способ присоединения ОПН к проводу влияет несущественно. Энергия же, поглощаемая варисторами ОПН при безыскровом присоединении, оказывается несколько меньше, чем при искровом присоединении ОПН к проводу. Различие в поглощаемой энергии увеличивается с повышением класса напряжения. Это связано с тем, что на ВЛ 110 кВ искровые промежутки ОПН на опорах участков, примыкающих к пораженному, срабатывают практически при всех грозовых волнах, что приводит к близким по характеру процессам при обоих способах установки ОПН. Вероятность срабатывания искровых промежутков на соседних опорах ВЛ 500 кВ и выше уменьшается, что приводит к возрастанию поглощаемой энергии ОПН, установленных на опорах пораженного участка. Следует отметить, что условия эксплуатации подстанционных аппаратов при коммутациях облегчаются (токовые и энергетические нагрузки этих аппаратов уменьшаются примерно в 1,2–1,5 раза). Условия же эксплуатации подстанционных ОПН при грозовых поражениях ВЛ могут несколько утяжелиться.
   Результаты расчетов показателей надежности ВЛ при грозовых поражениях в случае установки ОПН на опорах и при их отсутствии приведены в табл. 1. При установке ОПН отключение ВЛ происходит лишь в случае перекрытия линейной изоляции, т.е. в случае, если остающееся напряжение на ОПН превышает разрядное напряжение изолирующей подвески. Из табл. 1 видно, что количество отключений ВЛ при использовании ОПН уменьшается в среднем на три порядка. Лишь на ВЛ 1150 кВ со стандартными опорами типа ПОГ-1150-5 количество отключений уменьшилось всего в 13 раз. Это связано с достаточно большим остающимся напряжением на ОПН при его срабатывании.
   Подвесные аппараты на напряжение 110–1150 кВ могут быть выполнены в одноколонковом исполнении и рассчитаны на протекание импульсного тока 15–60 кА при удельной поглощаемой энергии 0,5–9,5 кДж/кВ, зависящей от класса ВЛ, ее конструктивного исполнения и принятого показателя надежности.
   Способ присоединения защитного аппарата к проводам ВЛ (с искровым промежутком или без него) не является критичным и может выбираться при конкретном проектировании с учетом особенностей тросовой защиты ВЛ, метеорологических условий, параметров ВАХ ОПН и т.д. В настоящее время следует выбирать характеристики и конструкцию ОПН применительно к тому объекту, где по экономическим соображениям целесообразно усиление защиты ВЛ от ударов молнии.



2. В распределительных сетях 6–35 кВ
   Поскольку при однофазном замыкании на землю (ОЗЗ) в таких сетях напряжение на «здоровых» фазах достигает линейного напряжения, то условия эксплуатации неотключаемого защитного аппарата существенно зависят от длительности режима ОЗЗ [3]. В распределительных сетях (не содержащих вращающихся машин) длительность ОЗЗ в настоящее время не нормируется. Поэтому в качестве U_НРО в таких сетях должно быть принято наибольшее рабочее линейное напряжение. При определенных эксплуатационных условиях это напряжение может быть несколько увеличено. Однако следует помнить, что увеличение U_НРО приводит к повышению ВАХ и, следовательно, к менее глубокому ограничению перенапряжений.
   Основным процессом, определяющим требуемую энергоемкость ОПН, является процесс, сопровождающий однофазное дуговое замыкание на землю (ОДЗ) при перемежающейся дуге. Энергия, поглощаемая ОПН в течение этого процесса, сопровождающегося несколькими повторными зажиганиями дуги, зависит от режима заземления нейтрали сети. Наибольшая удельная энергия наблюдается при изолированной нейтрали сети. В случае заземления нейтрали сети с помощью ДГР, условия эксплуатации ОПН облегчаются, так как число повторных зажиганий дуги даже при некоторой расстройке ДГР уменьшается. В случае, если нейтраль сети оснащена резистором, кратности перенапряжений при ОДЗ, как правило, не приводят к срабатыванию ОПН.



3. В сетях собственных нужд
   Свои особенности имеет эксплуатация ОПН в сетях собственных нужд (ССН) электрических станций и в других электрических сетях, содержащих электрические двигатели (ЭД). Как правило, к секциям шин ЭД подсоединяются с помощью кабелей. Протяженность кабелей зависит от типа станции и лежит в диапазоне от 30 до 500 м. От одной секции шин, как правило, питается несколько присоединений с двигателями (рис. 2).
   Изоляция электрооборудования (в качестве расчетной следует принимать значение электрической прочности статорной изоляции ЭД при профилактических испытаниях) подвергается воздействиям при однофазных дуговых замыканиях на землю (ОДЗ) и при коммутациях включения и отключения двигателей, сопровождающихся повторными зажиганиями дуги в выключателе. Наибольший энергетический потенциал имеют воздействия на ОПН при ОДЗ. Коммутационные перенапряжения обладают существенно меньшим энергетическим потенциалом.
   Наиболее надежной является система защиты, включающая в себя заземляющие резисторы, подключенные к шинам секций с помощью специальных трансформаторов или устройств (например, ФМЗО на рис. 2), и установке ОПН непосредственно у каждого двигателя (ОПН 2 на рис. 2). В случае отсутствия резистивного заземления нейтрали и установке ОПН у каждого двигателя, к ВАХ ОПН предъявляются достаточно жесткие требования по их идентичности для каждого присоединения (в опорной точке ВАХ по току остающиеся напряжения на ОПН не должны различаться более чем на 5–10%). Это связано с тем, что при ОДЗ на шинах или на каком-либо из присоединений при отсутствии резистора в нейтрали сети все ОПН эксплуатируются параллельно. В случае же резистивного заземления нейтрали ОПН при ОДЗ не срабатывают. Установка ОПН непосредственно за выключателем присоединения (ОПН 1 на рис. 2) в случае достаточно протяженных присоединений (более 50 м) и достаточно мощном ТСН не обеспечивает надежной защиты изоляции двигателя из-за волновых процессов в кабеле присоединения.
   При выборе системы защиты от перенапряжений ССН электрических станций и близких к ним по структуре насосных и компрессорных станций протяженных нефте- и газопроводов в случае изолированной нейтрали этих сетей или в случае установки ОПН непосредственно за выключателем присоединений следует проводить соответствующий комплекс расчетов индивидуально для каждого объекта. При оснащении ССН вакуумными выключателями следует учитывать также перенапряжения, возникающие при отключении заторможенных (неразвернувшихся) двигателей. Эти перенапряжения характеризуются невысоким энергетическим потенциалом, но могут превышать электрическую прочность не только корпусной изоляции двигателя, но и витковой изоляции обмотки статора. Поэтому, как правило, вакуумные выключатели поставляются в комплекте с ОПН, характеристики которых скоординированы с электрической прочностью изоляции двигателя.

Рис 2: Принципиальная схема ССНТЭЦ	Таблица 1: Характеристики надежности ВЛ при отсутствии подвесных ОПН и при их установке

Заключительные положения
Обеспечение надежной эксплуатации изоляции электрооборудования в сетях различного напряжения, назначения и конструктивного исполнения может быть достигнуто применением комплекса мероприятий, в состав которых входит и использование ОПН.
ОПН являются неотключаемыми аппаратами, поэтому выбор их характеристик обусловлен не только требуемым защитным уровнем, но и надежной эксплуатацией самого аппарата при всех режимах эксплуатации сети. В настоящее время при проектировании средств защиты, включающих в себя ОПН, целесообразно проводить достаточно полное компьютерное моделирование как самой сети, так и защитного аппарата. При этом на основе проведенных расчетов можно не только выбирать аппараты, производимые в настоящее время различными изготовителями, но и в ряде случаев заказывать производителю аппарат с теми характеристиками, которые требуются для надежной эксплуатации конкретного объекта. Такие же индивидуальные работы следует производить и при замене разрядников на ОПН.
Требующиеся исследования могут производиться в научных коллективах НИИ, электроэнергетических кафедр вузов, а в ряде случаев и самими производителями ОПН.

Литература

1. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ. РАО «ЕЭС России» – М.: 2000.
2. Кадомская К.П., Рейхердт А.А. Анализ токовых нагрузок ограничителей перенапряжений, устанавливаемых на опорах воздушных линий // Электричество. – 2000. – N 3. – С. 2-6.
3. Методические указания по применению ограничителей перенапряжений нелинейных в электрических сетях 6-35 кВ. РАО «ЕЭС России».- М.: 2000.