Тестирование х-к высокого напряжения и расчёт адекватных параметров изоляции. Продолжение. Часть 4

Вступительное слово – сразу после заголовка Части 1

В этой статье рассматриваются методы смягчения перенапряжений, вызванных молниями и коммутационными перенапряжениями в высоковольтных сетях, с помощью разрядников, экранирования и точных расчётов параметров изоляции.

В статье рассматриваются методы смягчения грозовых и коммутационных перенапряжений в высоковольтных сетях, уделяя особое внимание роли металлооксидных разрядников, методам экранирования и координации изоляции. Также сравниваются аспекты защиты в распределительных устройствах с элегазовой (КРУЭ) и воздушной (ВВ) изоляцией.

Эффективное смягчение грозовых и коммутационных перенапряжений в высоковольтных сетях зависит от двух взаимодополняющих стратегий: (1) установки разрядников, в первую очередь на основе технологии металлооксидных варисторов (МОВ), и (2) методов экранирования поля, включая заземляющие провода, оптимизированные углы экранирования и заземление опор. Эти методы предназначены для обеспечения того, чтобы напряжение изоляции оставалось в пределах допустимых значений в переходных режимах, а энергия импульса безопасно рассеивалась без возникновения перекрытия или повреждения оборудования.

Металлооксидные варисторные разрядники (МОВ)

Металлооксидные варисторы (MOV), также называемые беззазорными металлооксидными разрядниками, представляют собой нелинейные резистивные устройства, зависящие от напряжения и предназначенные для отвода импульсных токов на землю при кратковременных перенапряжениях. Их вольт-амперная характеристика обычно описывается уравнением:

I=kVn

Где:

• I — ток через разрядник

• V — напряжение на разряднике

• n — коэффициент нелинейности (обычно 20–50)

• k — константа материала, зависящая от легирования ZnO

Критерии выбора разрядников MOV включают:

• Длительное рабочее напряжение (Uc): должно превышать максимальное напряжение фаза-земля в условиях нормального и временного перенапряжения (TOV).

• Напряжение разряда: пиковое напряжение при заданном импульсном токе (например, грозовом импульсе 10 кА). Это значение должно быть ниже предела прочности изоляции (обычно BIL минус координационный запас).

• Способность поглощать энергию: особенно важно при коммутационных перенапряжениях и длительных временных перенапряжениях. ОПН на подстанциях сверхвысокого напряжения могут быть рассчитаны на несколько джоулей на кВ MCOV (максимального длительного рабочего напряжения).

Правила размещения:

• Ограничители устанавливаются на клеммах трансформаторов, кабельных окончаниях и вводах линий для защиты чувствительного оборудования.

• На воздушных линиях электропередачи они часто устанавливаются на первой опоре рядом с подстанцией для защиты от входящих перенапряжений.

• В распределительных устройствах с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и компактных распределительных устройствах блоки MOV встраиваются в проходные изоляторы или рядом с ними.

Чтобы избежать перегрузки разрядника, критически важно координировать его работу с ожидаемой энергией разряда. Например, в системах напряжением 400 кВ с длинными линиями электропередачи коммутационные перенапряжения могут передавать значительную энергию в разрядники. Стандарт IEEE C62.11 устанавливает стандартные рабочие циклы для оценки эффективности разрядника в условиях множественных перенапряжений.

Рисунок 1. MOV-разрядник. Изображение предоставлено ResearchGate.

Рисунок 2. Вольт-амперные характеристики разрядника на основе ZnO. Изображение предоставлено ScienceDirect.

Координация напряжения разряда и остаточной энергии

Разрядники на основе метал-варисторов (MOV) работают, ограничивая импульсное напряжение и отводя его на землю. Этот процесс включает рассеивание энергии через корпус разрядника. Напряжение разряда — это максимальное напряжение на выводах разрядника во время импульса заданной формы и должно соответствовать следующим требованиям:

Vdis<Vwithstand−ΔVmargin

Где:

• Vdis — разрядное напряжение разрядника

• Vwithstand — уровень импульсной стойкости оборудования (например, BIL)

• ΔVmargin — запас по координации (обычно 15–25%)

Остаточная поглощаемая энергия зависит от формы и длительности тока. Конструкции разрядников различаются от распределительного класса (энергия на уровне кДж) до станционного класса (ёмкость на уровне МДж), с особым вниманием к сверхвысоковольтным применениям, где рассеивание энергии за один импульс может превышать 10–15 кДж.

Современные разрядники станционного класса оснащены выравнивающими кольцами и несколькими блоками ZnO для обеспечения равномерного распределения напряжения и минимального нагрева при длительном разряде. Их энергозатратность подтверждается многократным испытанием (согласно IEEE C62.11), в ходе которого разрядник подвергается воздействию нескольких импульсов с заданной энергоёмкостью и интервалами охлаждения.

Углы экранирования и заземление на вершине башни

В системах электропередачи экранирование поля с помощью грозозащитных тросов (грозоотводов) используется для перехвата прямых ударов молнии до их попадания в фазные провода. Эффективность экранирования оценивается по углу экранирования (θ) и геометрии защитной зоны.

Угол Экранирования

Угол экранирования θ — это угол, образованный между вертикальной линией, проведенной от фазного проводника, и линией, соединяющей проводник с экранированным проводом:

tan(θ)=Hg−HpD

Где:

• Hg — высота заземляющего провода

• Hp — высота фазного провода

• D — горизонтальное расстояние между ними

Типичные расчетные значения:

• 20°–30° для линий сверхвысокого напряжения

• ≤20° для систем сверхвысокого напряжения для минимизации вероятности выхода из строя экранирования

При выборе необходимо учитывать баланс между защитой от перекрытий, вызванных повреждением экрана, и стоимостью строительства опоры. Для компактных опор линий электропередачи или многоцепных конструкций может потребоваться два или более защитных проводов для эффективного покрытия всех фаз.

Сопротивление фундамента башни и волновое сопротивление

Эффективность экранирования также зависит от сопротивления основания опоры, которое необходимо минимизировать (обычно ≤10 Ом в зонах повышенного риска), чтобы предотвратить чрезмерное повышение напряжения при рассеивании импульсного тока. Высокое сопротивление основания может привести к обратному перекрытию, когда потенциал земли на опоре превышает напряжение между линией и землей, что приводит к обратному перенапряжению на фазный провод.

Нагрузка импульсного сопротивления (SIL) косвенно влияет на поведение линии при импульсном перенапряжении. Она определяет естественную пропускную способность линии:

SIL=V2Zc

Где Zc — волновое сопротивление линии (обычно 300–400 Ом). Линии с более высоким SIL (то есть с более низким сопротивлением) обычно характеризуются более быстрым распространением волнового фронта и могут быть более подвержены перенапряжениям, вызванным отражением, если разрядники не скоординированы должным образом.

Координация с х-ками изоляции

Эффективность защиты от перенапряжений в высоковольтных системах зависит не только от индивидуальных характеристик разрядников, но и от того, насколько хорошо они согласованы с уровнями изоляции защищаемого оборудования. Координация изоляции — это процесс проектирования и выбора защитных устройств (особенно разрядников) таким образом, чтобы изоляция оборудования не подвергалась перегрузкам при перенапряжениях.

Эта координация должна учитывать как переходные, так и временные перенапряжения (TOV), нелинейные динамические характеристики разрядников и характеристики системы изоляции (например, газ, воздух, масло или твердые диэлектрики).

Защитные пределы: уровень выдерживания в зависимости от напряжения разряда разрядника

Основная цель координации изоляции — гарантировать, что напряжение разряда разрядника останется ниже уровня прочности изоляции защищаемого оборудования. Этот запас обычно называется защитным запасом или запасом в расчётах и определяется следующим образом:

Запас в расчётах (%)=(Uwithstand−UresUres)×100

Где:

• Uwithstand — уровень импульсной стойкости оборудования (например, BIL).

• Ures — остаточное (разрядное) напряжение разрядника при соответствующем импульсном перенапряжении (например, 8/20 мкс, коммутационное 30/60 мкс).

Согласно IEEE C62.22, типичные требуемые защитные поля составляют:

• 15–25% для грозовых импульсов

• 20–30% для коммутационных импульсов

Этот запас гарантирует, что даже в самых неблагоприятных условиях, включая старение разрядника, падение напряжения на выводах и кратковременные выбросы напряжения, защищаемая изоляция не будет перегружена. В КРУЭ, где характеристики пробоя крутые и менее устойчивые, чем в КРУЭ, обычно применяются более высокие запасы защиты (до 25–30%).

Для достижения таких запасов инженеры должны минимизировать длину выводов и индуктивность между разрядником и защищаемым оборудованием, особенно в системах сверхвысокого и сверхвысокого напряжения, где крутые фронты импульсов напряжения могут вызывать опасные выбросы напряжения из-за индуктивных падений:

VL=L⋅didt

Даже несколько микрогенри паразитной индуктивности (например, 1 мкГн при 10 кА/мкс) могут вызвать переходные перенапряжения величиной 10 кВ, которые необходимо учитывать при размещении разрядника и проектировании соединений.

Кривые перенапряжения и координация временных перенапряжений

Помимо кратковременных перенапряжений, системы изоляции должны также выдерживать временные перенапряжения (ВПН), возникающие при восстановлении после короткого замыкания, резонансных явлениях или сбросе нагрузки. Ограничители перенапряжений не только ограничивают перенапряжения, но и должны выдерживать повышенные напряжения в течение длительного времени без теплового разгона.

Это характеризуется кривыми ВПН, которые определяют временные пределы стойкости ОПН при повышенных частотах промышленной частоты. Типичная кривая ВПН отображает зависимость удельного напряжения от длительности, часто при заданной опорной температуре (например, 60 °C). Например, станционный ОПН с номинальным напряжением 336 кВ может выдерживать:

• 1,5 о.е. в течение 1 секунды

• 1,3 о.е. в течение 10 секунд

• 1,15 о.е. непрерывно

Эти кривые необходимы для координации с конфигурацией заземления системы. В системах с незаземлённой нейтралью или резонансным заземлением перенапряжения могут сохраняться в течение сотен миллисекунд после короткого замыкания в цепи SLG. Поэтому выбор разрядника должен гарантировать, что перенапряжение превышает ожидаемую длительность в худшем случае, рассчитанную на основе времени отключения защиты системы.

На практике такая координация подтверждается с помощью уравнения:

VTOV≤Uc⋅kt

Где:

• VTOV — ожидаемое пиковое значение TOV

• Uc — постоянное рабочее напряжение разрядника

• kt — допустимый коэффициент перенапряжения TOV (согласно предоставленной производителем кривой TOV)

Невыполнение критериев TOV может привести к перегреву разрядника, его ухудшению или взрывному отказу, особенно в системах с медленным устранением неисправностей или феррорезонансом.

Рисунок 3. Кривые стойкости к временным перенапряжениям (TOV). Изображение предоставлено TestGuy.net.

Схемы защиты в GIS и АIS

Координация изоляции принципиально различается между распределительными устройствами с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и распределительными устройствами с воздушной изоляцией (РВИ) из-за диэлектрических свойств и геометрических ограничений изоляционной среды.

Распределительное устройство с элегазовой изоляцией (КРУЭ) или GIS

В КРУЭ изоляция обычно представляет собой элегаз (SF₆) или его смеси, обеспечивающие высокую электрическую прочность и быстрый пробой. Однако система чрезвычайно компактна, а характеристики пробивного напряжения резкие и менее устойчивы к выбросам.

В результате:

• Номиналы BIL и BSL (базовый уровень коммутации) в КРУЭ часто ниже, чем у AIS при том же напряжении системы.

• Для обеспечения равномерного распределения напряжения используются экранирующие электроды, выравнивающие конденсаторы и емкостные делители.

• Установка разрядника в КРУЭ обычно является неотъемлемой частью конструкции оборудования, а длина проводов между разрядником и защищаемым оборудованием сводится к нескольким сантиметрам.

В связи с крутыми фронтами волн в КРУЭ координация чувствительна к форме импульса: импульс с длительностью фронта <0,5 мкс может вызвать перекрытие, даже если его пиковое значение ниже номинального уровня BIL, из-за концентрации энергии. Таким образом, координация по фронту волны становится критически важной в КРУЭ, и ограничители перенапряжения должны быть выбраны как для фронта, так и для стандартных импульсов 1,2/50 мкс.

Распределительное устройство с воздушной изоляцией (AIS)

В системах AIS зазоры значительно больше и меньше ограничены геометрией корпуса. У воздуха более длительное время пробоя, что делает системы AIS несколько более устойчивыми к быстрорастущим скачкам давления.

Однако:

• Факторы окружающей среды (влажность, загрязнение, высота над уровнем моря) существенно влияют на поведение изоляции.

• Перекрытие происходит снаружи, поэтому может привести к более длинным дугам и внешним повреждениям.

• Длина выводов к разрядникам часто больше, что увеличивает риск индуктивного перенапряжения, если только это не минимизировано с помощью межсоединений или дополнительных устройств выравнивания напряжения.

Координация разрядников в системах AIS часто включает как блоки MOV станционного класса, так и дополнительное экранирование, особенно на подстанциях сверхвысокого напряжения (>400 кВ), где коммутационные перенапряжения определяют конструкцию изоляции.

Таблица 1. Вопросы координации GIS и AIS

Ключевые выводы

Управление перенапряжениями, вызванными грозовыми разрядами и коммутационными перенапряжениями, с помощью разрядников, экранирования и координации изоляции играет важнейшую роль в обеспечении безопасности и устойчивости высоковольтных сетей. Правильный выбор и координация работы защитных устройств с изоляцией системы позволяют энерго-снабжающим организациям минимизировать количество отказов оборудования, сократить время простоя и повысить стабильность передачи электроэнергии. Эти методы особенно важны в современных сетях сверхвысокого напряжения, где последствия пробоя изоляции имеют как техническое, так и экономическое значение.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ

Сопутствующие Товары