Нелинейные ограничители перенапряжений

Большая часть повреждений высоковольтного электрооборудования связана с возникновением перенапряжений в электрических сетях грозового или коммутационного происхождения. Поэтому глубокое ограничение перенапряжений позволяет значительно повысить надежность работы электрооборудования. Применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе оксидно-цинковых варисторов (ОЦВ) обеспечивает особенно глубокое ограничение перенапряжений и, соответственно, значительно повышает надежность работы высоковольтного электрооборудования.

В разработках ОПН – прогресс

Широко освоенное в настоящее время производство нелинейных ограничителей перенапряжений в фарфоровых покрышках ограничивает область применения ОПН из‑за большой массы, трудностей создания в подвесном исполнении, взрывоопасности и, наконец, возможности повреждения фарфоровых покрышек при транспортировке, монтаже и в процессе эксплуатации.

Оксидно-цинковые ограничители в полимерных корпусах лишены этих недостатков. Значительно более легкие, взрывобезопасные, высокотехнологичные в производстве, ОПН в полимерных корпусах могут быть подвешены непосредственно на линиях, установлены на выводах трансформаторов и электродвигателей, в ячейках КРУ, а также между фазами для глубокого ограничения междуфазовых перенапряжений.

В последнее время наблюдается существенный прогресс в разработке новых конструкций ОПН. Прежде всего достигнута высокая стабильность характеристик основного элемента ОПН-ОЦВ, а также существенно увеличена (и доведена до 900‑1 100 А / см2 при грозовых импульсах) допустимая плотность тока через варисторы. Такие характеристики ОЦВ при высокой степени нелинейности их вольт-амперной характеристики обеспечивают возможность значительного уменьшения размеров и массы ОПН. Это, в свою очередь, дает возможность создания ОПН в одноколонковом исполнении практически на все классы напряжения.

Кроме того, при одноколонковом исполнении ОЦВ обеспечивается максимальная степень использования объема корпуса ОПН, что определяет значительное снижение их массы по сравнению с многоколонковыми конструкциями.



От модульных конструкций – к одноэлементным

Современный аппарат состоит из колонки ОЦВ, помещенной в изолирующий корпус из стеклопластика с ребристым покрытием из кремнийорганического каучука и металлическими фланцами на концах.

Некоторые производители ОПН с полимерной изоляцией на напряжение выше 110 кВ выпускают аппараты сборными из отдельных модулей. Каждый модуль имеет высоту около 1000 мм, полностью герметизирован, транспортируется и складируется отдельно. Сборка ОПН из отдельных модулей производится на месте установки. При этом соединительным элементом является цилиндрическая металлическая муфта с внутренней резьбой, которая наворачивается на стыкуемые оконцеватели отдельных модулей. Для обеспечения электрического соединения модулей предусмотрен розеточный контакт, изолированный от металлического оконцевателя. Поэтому токи утечки поверхности корпусов ОПН при увлажнении их поверхности не попадают в столб варисторов, что опасно в связи с возможным перегревом варисторов и преждевременным выходом их из строя.

Однако модульная конструкция ОПН является громоздкой и ненадежной при эксплуатации, имеет низкие механические характеристики при растягивающих и изгибающих нагрузках.

Технология производства стеклопластиковых цилиндров, полученных методом намотки стекложгута на соответствующей оправке и нанесения на них защитного ребристого покрытия, не ограничивает длины корпуса, что позволяет изготавливать ОПН в одноэлементном исполнении без технологических ограничений по высоте. Такая конструкция обеспечивает минимальную металлоемкость и высоту ОПН и существенно повышает надежность работы аппаратов при увлажнении загрязненной поверхности аппарата.

Высокая механическая прочность стеклопластикового цилиндра на растяжении позволяет изготовить ОПН-110 кВ и выше с толщиной стенки не более 5‑6 мм, толщина покрытия из кремнийорганической резины – 5 мм. Малый диаметр корпуса определяет относительно низкую его стоимость. Однако при опорном исполнении ОПН – 330 кВ и выше необходимо применение изоляционных оттяжек в трех направлениях под углом 120о для обеспечения устойчивости конструкции под воздействием растяжения проводов, ветровых и гололедных нагрузок.



Идеальны в подвесном исполнении

Наиболее благоприятные условия для работы ОПН с полимерной изоляцией – в подвесном исполнении, когда стеклопластиковый корпус ОПН подвергается воздействию только растягивающихся усилий, по отношению к которым стеклопластиковые корпуса имеют большие запасы прочности.

Выравнивание распределения напряжения вдоль столба варисторов при рабочем напряжении для ОПН от 110 кВ и выше производится с помощью тороидальных экранов. Этот способ значительно дешевле, чем способ выравнивания распределения напряжения с помощью шунтирующих колонок варисторов 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 невысока.

Полимерная покрышка позволяет не только значительно снизить вес и габариты ОПН, но и значительно облегчает условия работы варисторов в ОПН, что в конечном счете значительно повышает надежность работы ОПН. Дело в том, что кремнийорганическая резина по своим технологическим и прочностным свойствам (как механическим, так и электрическим) позволяет создавать ребра малой толщины (около 6 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. Это приводит к уменьшению дополнительных токов смещения, протекающих через варисторы и вызывающих дополнительный разогрев и ускоренное старение. Поэтому полимерные покрышки определяют значительное преимущество ОПН по сравнению с 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).



Для надежной работы необходим контроль состояния ОЦВ

Для обеспечения надежности работы ОПН в процессе эксплуатации необходима оценка состояния активных элементов – оксидно-цинковых варисторов. Это обеспечивается измерением токов проводимости через варисторы специальным устройством. Для этого ОПН отключают от сети, снимают с фундамента и переносят в специальную лабораторию.

Наиболее предпочтительным является контроль состояния варисторов в ОПН под рабочим напряжением (см. рис 1 а). Для этого аппарат (1) устанавливают на изоляционную подставку (2), а измерение токов проводимости осуществляют подключением специального устройства (3) к нижнему металлическому фланцу (4).

Указанный способ оценки состояния активных элементов в ОПН также существенно усложняет конструкцию в целом, увеличивается высота аппарата, снижается механическая прочность на изгиб.

Нами предлагается новый способ измерения токов проводимости через варисторы под рабочим напряжением (см. рис. 1 б). При этом в изоляционной покрышке ОПН (1), между нижним фланцем (4) и активными нелинейными элементами – варисторами устанавливается изоляционная приставка (на рис. не указана), а металлический контакт между колонкой варисторов и измерительным устройством (3) осуществляется с помощью кольца (5), установленного на поверхности корпуса ОПН (1).

Проведенные испытания на герметичность узла соединения металлического электрода с колонкой варисторов, установленной внутри макета ОПН, показали положительные результаты. Условия испытания: измерение электрического сопротивления между электродом (5) и нижним фланцем (4) макета ОПН до и после его кипячения в деминерализованной воде в течение 48 часов (5 циклов).

Указанный способ измерения токов проводимости через варисторы в ОПН существенно отличается от существующих простотой конструкции, надежностью и достоверностью полученных результатов измерений под рабочим напряжением.

Г. А. ГУСЕЙНОВ, Г. А. Евдокунин. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Рис. 1. Схема измерения токов проводимости через активные элементы ОПН 110 кВ и выше под рабочим напряжением.
1. ОПН; 2. изоляционная подставка; 3. устройство для измерения токов про-водимости; 4. нижний фланец; 5. электрод; 6. верхний фланец; 7. экран.

Источник: http://www.eprussia.ru