4. Координация изоляции и защита от перенапряжений
4.1 Координация изоляции
Защита оборудования подстанций от набегающих волн и координация изоляции на подстанциях базируется в настоящее время на использовании разрядников типов РВП, РВС и ОПН нынешнего поколения по ГОСТ 16357-70. Трансформаторы и автотрансформаторы 150 и 220 кВ имеют два уровня изоляции:
Основной, скоординированный с разрядниками РВП и РВМГ;
Повышенный, скоординированный с разрядниками РВС и ОПН.
Изоляция аппаратов и измерительных трансформаторов имеет один повышенный уровень.
На подстанциях до 110 кВ включительно, где установлены трансформаторы с повышенным уровнем изоляции, место установки вентильных разрядников и ограничителей перенапряжений выбирается таким образом, чтобы обеспечить защиту всего оборудования минимальным числом защитных аппаратов(например, по одному комплекту на каждую систему шин). При этом допускается наличие коммутационных аппаратов между РВ (ОПН) и трансформаторами, поскольку уровень изоляции трансформаторов выше возможной кратности большинства коммутационных перенапряжений, т.е. перенапряжений при включении и отключении.
Для оценки надежности защиты подстанционного оборудования от набегающих волн необходимо сопоставить напряжения на изоляции с её электрической прочностью. При этом следует учитывать, что формы волн напряжения на изоляции являются нестандартными.
Перекрытие изоляции на подстанции в большинстве случаев означает дуговое к.з. в непосредственной близости от сборных шин, которое может привести к системным авариям.
В результате перекрытия внешней изоляции возникает так называемый срез, т.е. практически мгновенный спад напряжения до нуля, являющийся причиной больших градиентных перенапряжений в обмотках трансформаторов, вызывающих в неблагоприятных случаях повреждение продольной изоляции. Пробой внутренней изоляции в отличии от перекрытия внешней – это в большинстве случаев необратимый процесс, приводящий к выходу из строя аппарата в целом.
Подстанции защищаются как от прямых ударов молний, так и от волн напряжения, набегающих с линии.
Повреждения или перекрытия изоляции на подстанции принципиально могут быть обусловлены тремя причинами:
Прорывом молнии мимо молниеотводов;
Возникновением высокого потенциала на заземлении пораженного молниеотвода, приводящего к обратному перекрытию с заземлителя на токоведуще части установки;
Возникновением высоких потенциалов под влиянием волн, приходящих с линии.
Если обозначить число опасных случаев в год, обусловленных перечисленными выше причинами, соответственно О1,О2 и О3, то расчетное число лет безаварийной работы подстанции
М=1/(О1+О2+О3)
М – показатель грозоупорности подстанции.
Для того чтобы обеспечить как можно меньшую вероятность повреждения изоляции подстанции, число М должно более чем на порядок превосходить нормальный срок службы оборудования, т.е. должно измеряться сотнями лет.
Координация характеристик изоляции аппаратов и РВ (ОПН) должна проводиться для всех возможных схем работы подстанции (разное число присоединений к шинам линий, связанная или раздельная работа секций и систем шин, выводов в ремонт секций с присоединенными РВ или ОПН и т.д.). Наивыгоднейшая схема защиты может быть спроектирована только при учете всех индивидуальных особенностей данной подстанции и при реальной оценке возможных и наиболее вероятных волн перенапряжений, приходящих с линий. Наиболее целесообразно расположение РВ и ОПН на подстанциях с более или менее сложной схемой можно определить лишь экспериментально, на анализаторах молниезащиты.
При разработке системы защиты подстанций от волн перенапряжений в первом приближении можно воспользоваться рекомендациями ПУЭ и НТП.
4.2 Защита электрооборудования от импульсов грозовых перенапряжений, набегающих с ВЛ
На ОРУ-110 кВ от волн перенапряжений приходящих с линий осуществляется вентильными разрядниками типа РВС-110 кВ.
В настоящее время в электрических системах для защиты электрооборудования от перенапряжений всеобщее распространение получили ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН).
Хотя в этих целях по-прежнему используются и вентильные разрядники, однако, в новых проектных разработках применяются только ОПН, а при реконструкции действующих электроустановках РВ заменяют на ОПН.
Вентильные разрядники комплектуются нелинейными резисторами (варисторами) на основе карбида кремния (SiC) и искровыми промежутками, которые подключают нелинейный резистор между фазным проводом и землей только на короткое время для ограничения грозовых, а в установках сверхвысокого напряжения и коммутационных перенапряжений. Вследствие относительно невысокой нелинейности их варисторов РВ не позволяют обеспечить достаточное ограничение перенапряжений. Более глубокое их снижение требует уменьшение сопротивления нелинейного резистора, что приводит в вентильных разрядниках к существенному увеличению сопровождающих токов. Искровые промежутки даже достаточно сложной конструкции не в состоянии погасить большие сопровождающие токи. Включение варистора под рабочее напряжение без искровых промежутков оказывается невозможным, вследствие, сравнительно большого тока протекающего по варистору постоянно, а также из-за низкой термической устойчивости. На замену РВ пришли ОПН – защитные аппараты без искровых промежутков с высоконелинейными варисторами из металлооксидной керамики, постоянно подключенными между фазным проводом и землей. В отличие от РВ ОПН могут ограничивать и грозовые и коммутационные перенапряжения в электроустановках любых классов напряжений. Отметим также, что на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) происходит замена РВ на ОПН. ОПН устанавливается вместо РВ на опорах ВЛ в местах с ослабленной изоляцией, в начале и конце защищенного подхода перед подстанцией на опорах вокруг пересечений ВЛ, на длинных переходах ВЛ и т.д. На первый взгляд применение ОПН представляется простым и эффективным решением задачи по ограничению перенапряжений. Исключение из ограничителя коммутирующих искровых промежутков повышает надежность этого защитного аппарата. Ограничение коммутационных перенапряжений в ЭУ U = 220 кВ и ниже позволяют существенно облегчить изоляцию либо повысить надежность изоляций таких ЭУ, которая в обычном исполнении рассчитана на воздействие коммутационных перенапряжений, не ограниченных защитными промежутками.
Однако, постоянное нахождение варистора ОПН под напряжением ставит проблему обеспечения тепловой устойчивости ОПН и при длительных рабочих напряжениях, а при ограниченных по времени повышениях напряжения в рабочих режимах электроустановки, и при установившихся (квазистационарных) перенапряжениях. При нарушениях тепловой устойчивости варистора возможны, и как показывает аварийная статистика, происходят взрывы и разрушения.
Отсюда возникает комплексная задача, как выбрать ОПН, чтобы он имел достаточную энергоемкость и надежно работал при длительных напряжениях и при временных повышениях, а также обеспечивал требуемое ограничение грозовых и коммутационных перенапряжений.
4.3 Сравнение РВ и ОПН
Принцип действия и основные характеристики Ограничителей Перенапряжений. В середине 70-х годов в СССР и Японии были созданы опытные образцы защитных аппаратов на основе варисторов из оксидно-цинковой керамики. Коэффициент нелинейности ВАХ для таких варисторов составляет α≈0,02 для широкой области изменения тока, что на порядок меньше а для варисторов из карбида кремния.
Использование оксидно-цинковых варисторов позволило разработать защитные аппараты без искровых промежутков: при рабочем напряжении токи через варисторы измеряются миллиамперами, а при перенапряжениях достигают сотен и тысяч ампер. Такие аппараты в СССР получили название «нелинейных ограничителей перенапряжений» - ОПН, за рубежом их называют «металлооксидными ограничителями», присваивая им различные фирменные названия и обозначения.
Высокая нелинейность ВАХ и большая удельная энергоемкость оксидно-цинковых варисторов позволяют существенно улучшить как защитные, так и массогабаритные характеристики ОПН по сравнению с разрядниками. Кроме того, использование ограничителей позволяет устранить существенные недостатки, свойственные разрядникам:
нестабильность защитных характеристик, обусловленную разбросом напряжения срабатывания искровых промежутков и его снижением после многократных воздействий импульсов тока;
снижение пробивного напряжения разрядников при увлажнении загрязненной поверхности покрышки, определяющего возможность выхода аппарата из строя в нормальном эксплуатационном режиме;
сложность профилактики (контроля пробивного напряжения);
нестабильность защитных характеристик вследствие существенного влияния температуры на ВАХ карбидокремниевых резисторов и ее деградация от воздействия импульсов тока при ограничении перенапряжений;
поглощение из сети избыточной энергии при протекании сопровождающего тока;
сложность конструкции, подбора параметров элементов и настройки пробивного напряжения искровых промежутков.