Вступне слово – одразу після заголовка Частини 1
Продовження Частини 1, Частини 2 та Частини 3
У цій статті розглядаються методи пом'якшення перенапруг, викликаних блискавками та комутаційними перенапругами у високовольтних мережах, за допомогою розрядників, екранування та точних розрахунків параметрів ізоляції.
У статті розглядаються методи пом'якшення грозових та комутаційних перенапруг у високовольтних мережах, приділяючи особливу увагу ролі металооксидних розрядників, методам екранування та координації ізоляції. Також порівнюються аспекти захисту у розподільчих пристроях з елегазовою (КРУЕ) та повітряною (ВВ) ізоляцією.
Ефективне пом'якшення грозових та комутаційних перенапруг у високовольтних мережах залежить від двох взаємодоповнюючих стратегій: (1) встановлення розрядників, в першу чергу на основі технології металооксидних варисторів (МОВ), та (2) методів екранування поля, включаючи заземлюючі дроти, оптимізовані кути екранування та зазем. Ці методи призначені для забезпечення того, щоб напруга ізоляції залишалася в межах допустимих значень перехідних режимів, а енергія імпульсу безпечно розсіювалася без виникнення перекриття або пошкодження обладнання.
Металооксидні варісторні розрядники (МОВ)
Металооксидні варистори (MOV), також звані беззазорними металооксидними розрядниками, є нелінійні резистивні пристрої, що залежать від напруги і призначені для відведення імпульсних струмів на землю при короткочасних перенапругах. Їхня вольт-амперна характеристика зазвичай описується рівнянням:
I=kVn
Де:
• I — струм через розрядник
• V — напруга на розряднику
• n - коефіцієнт нелінійності (зазвичай 20-50)
• k — константа матеріалу, яка залежить від легування ZnO
Критерії вибору розрядників MOV включають:
• Тривала робоча напруга (Uc): повинна перевищувати максимальну напругу фаза-земля в умовах нормальної та тимчасової перенапруги (TOV).
• Напруга розряду: пікова напруга при заданому імпульсному струмі (наприклад, грозовому імпульсі 10 кА). Це значення має бути нижчим за межу міцності ізоляції (зазвичай BIL мінус координаційний запас).
• Здатність поглинати енергію: особливо важливо при комутаційних перенапругах та тривалих часових перенапругах. ГНН на підстанціях надвисокої напруги можуть бути розраховані на кілька джоулів на кВ MCOV (максимальна тривала робоча напруга).
Правила розміщення:
• Обмежувачі встановлюються на клемах трансформаторів, кабельних закінченнях та вводах ліній для захисту чутливого обладнання.
• На повітряних лініях електропередач вони часто встановлюються на першій опорі поряд з підстанцією для захисту від вхідних перенапруг.
• У розподільних пристроях з елегазовою ізоляцією (КРУЕ) та компактними розподільними пристроями блоки MOV вбудовуються у прохідні ізолятори або поруч із ними.
Щоб уникнути перевантаження розрядника, важливо координувати його роботу з очікуваною енергією розряду. Наприклад, у системах напругою 400 кВ з довгими лініями електропередач комутаційні перенапруги можуть передавати значну енергію в розрядники. Стандарт IEEE C62.11 встановлює стандартні робочі цикли з метою оцінки ефективності розрядника за умов множинних перенапруг.
Рисунок 1. MOV-розрядник. Зображення надано ResearchGate.
Рисунок 2. Вольт-амперні характеристики розрядника на основі ZnO. Зображення надано ScienceDirect.
Координація напруги розряду та залишкової енергії
Розрядники на основі метал-варисторів (MOV) працюють, обмежуючи імпульсну напругу та відводячи її на землю. Цей процес включає розсіювання енергії через корпус розрядника. Напруга розряду - це максимальна напруга на висновках розрядника під час імпульсу заданої форми і повинна відповідати наступним вимогам:
Vdis<Vwithstand−ΔVmargin
Де:
• Vdis — розрядна напруга розрядника
• Vwithstand – рівень імпульсної стійкості обладнання (наприклад, BIL)
• ΔVmargin — запас координації (зазвичай 15–25%)
Залишкова енергія, що поглинається, залежить від форми і тривалості струму. Конструкції розрядників відрізняються від розподільчого класу (енергія лише на рівні кДж) до станційного класу (ємність лише на рівні МДж), з особливою увагою до сверхвысоковольтным застосуванням, де розсіювання енергії за імпульс може перевищувати 10–15 кДж.
Сучасні розрядники станційного класу оснащені кільцями, що вирівнюють, і кількома блоками ZnO для забезпечення рівномірного розподілу напруги і мінімального нагріву при тривалому розряді. Їх енерговитратність підтверджується багаторазовим випробуванням (згідно з IEEE C62.11), в ході якого розрядник піддається впливу кількох імпульсів із заданою енергоємністю та інтервалами охолодження.
Кути екранування та заземлення на вершині башти
У системах електропередач екранування поля за допомогою грозозахисних тросів (грозовідводів) використовується для перехоплення прямих ударів блискавки до їх попадання у фазні дроти. Ефективність екранування оцінюється по куту екранування (θ) та геометрії захисної зони.
Кут Екранування
Кут екранування θ - це кут, утворений між вертикальною лінією, проведеною від фазного провідника, і лінією, що з'єднує провідник з екранованим дротом:
tan(θ)=Hg−HpD
Де:
• Hg — висота проводу заземлення
• Hp – висота фазного дроту
• D — горизонтальна відстань між ними
Типові розрахункові значення:
• 20°–30° для ліній надвисокої напруги
• ≤20° для систем надвисокої напруги для мінімізації ймовірності виходу з ладу екранування
При виборі необхідно враховувати баланс між захистом від перекриттів, спричинених пошкодженням екрана, та вартістю будівництва опори. Для компактних опор ліній електропередач або багатоланцюгових конструкцій може знадобитися два або більше захисних проводів для ефективного покриття всіх фаз.
Опір фундаменту вежі та хвильовий опір
Ефективність екранування також залежить від опору основи опори, яку необхідно мінімізувати (зазвичай ≤10 Ом у зонах підвищеного ризику), щоб запобігти надмірному підвищенню напруги при розсіюванні імпульсного струму. Високий опір основи може призвести до зворотного перекриття, коли потенціал землі на опорі перевищує напругу між лінією та землею, що призводить до зворотного перенапруги фазний провід.
Навантаження імпульсного опору (SIL) опосередковано впливає поведінка лінії при імпульсному перенапрузі. Вона визначає природну пропускну здатність лінії:
SIL=V2Zc
Де Zc - хвильовий опір лінії (зазвичай 300-400 Ом). Лінії з більш високим SIL (тобто з більш низьким опором) зазвичай характеризуються більш швидким поширенням хвильового фронту і можуть бути більш схильні до перенапруг, викликаних відображенням, якщо розрядники не скоординовані належним чином.
Координація з х-ками ізоляції
Ефективність захисту від перенапруг у високовольтних системах залежить не тільки від індивідуальних характеристик розрядників, а й від того, наскільки добре вони узгоджені з рівнями ізоляції устаткування, що захищається. Координація ізоляції - це процес проектування та вибору захисних пристроїв (особливо розрядників) таким чином, щоб ізоляція обладнання не зазнавала перевантажень при перенапругах.
Ця координація повинна враховувати як перехідні, так і тимчасові перенапруги (TOV), нелінійні динамічні характеристики розрядників та характеристики системи ізоляції (наприклад, газ, повітря, олія чи тверді діелектрики).
Захисні межі: рівень витримування залежно від напруги розряду розрядника
Основна мета координації ізоляції - гарантувати, що напруга розряду розрядника залишиться нижче рівня міцності ізоляції обладнання, що захищається. Цей запас зазвичай називається захисним запасом або запасом у розрахунках і визначається так:
Запас у розрахунках (%)=(Uwithstand−UresUres)×100
Де:
• Uwithstand – рівень імпульсної стійкості обладнання (наприклад, BIL).
• Ures — залишкова (розрядна) напруга розрядника за відповідного імпульсного перенапруги (наприклад, 8/20 мкс, комутаційна 30/60 мкс).
Відповідно до IEEE C62.22, типові необхідні захисні поля становлять:
• 15-25% для грозових імпульсів
• 20-30% для комутаційних імпульсів
Цей запас гарантує, що навіть у найбільш несприятливих умовах, включаючи старіння розрядника, падіння напруги на висновках і короткочасні викиди напруги, ізоляція, що захищається, не буде перевантажена. У КРУЕ, де характеристики пробою круті та менш стійкі, ніж у КРУЕ, зазвичай застосовуються вищі запаси захисту (до 25–30%).
Для досягнення таких запасів інженери повинні мінімізувати довжину висновків та індуктивність між розрядником і обладнанням, що захищається, особливо в системах надвисокої та надвисокої напруги, де круті фронти імпульсів напруги можуть викликати небезпечні викиди напруги через індуктивні падіння:
VL=L⋅didt
Навіть кілька мікрогенрі паразитної індуктивності (наприклад, 1 мкГн при 10 кА/мкс) можуть викликати перехідні перенапруги величиною 10 кВ, які необхідно враховувати при розміщенні розрядника та проектуванні з'єднань.
Криві перенапруги та координація тимчасових перенапруг
Крім короткочасних перенапруг, системи ізоляції повинні також витримувати тимчасові перенапруги (ВПН), що виникають при відновленні після короткого замикання, резонансних явищ або скидання навантаження. Обмежувачі перенапруг не тільки обмежують перенапруги, але й повинні витримувати підвищену напругу протягом тривалого часу без теплового розгону.
Це характеризується кривими ВПН, які визначають часові межі стійкості ГНН при підвищених частотах промислової частоти. Типова крива ВПН відображає залежність питомої напруги від тривалості, часто при заданій температурі опорної (наприклад, 60 °C). Наприклад, станційний ГНН з номінальною напругою 336 кВ може витримувати:
• 1,5 о. протягом 1 секунди
• 1,3 о. протягом 10 секунд
• 1,15 о. безперервно
Ці криві необхідні координації зі зміною заземлення системи. У системах із незаземленою нейтраллю або резонансним заземленням перенапруги можуть зберігатися протягом сотень мілісекунд після короткого замикання в ланцюзі SLG. Тому вибір розрядника повинен гарантувати, що перенапруга перевищує очікувану тривалість у гіршому випадку, розраховану з урахуванням часу відключення захисту системи.
Насправді така координація підтверджується з допомогою рівняння:
VTOV≤Uc⋅kt
Де:
• VTOV — очікуване пікове значення TOV
• Uc — постійна робоча напруга розрядника
• kt — допустимий коефіцієнт перенапруги TOV (згідно з наданою виробником кривою TOV)
Невиконання критеріїв TOV може призвести до перегріву розрядника, його погіршення або вибухової відмови, особливо в системах з повільним усуненням несправностей або ферорезонансом.
Рисунок 3. Криві стійкості до тимчасових перенапруг (TOV). Зображення надано TestGuy.net.
Схеми захисту в GIS та АIS
Координація ізоляції принципово відрізняється між розподільними пристроями з елегазової ізоляцією (КРУЕ) та розподільними пристроями з повітряною ізоляцією (РВІ) через діелектричні властивості та геометричні обмеження ізоляційного середовища.
Розподільний пристрій з елегазовою ізоляцією (КРУЕ) або GIS
У КРУЕ ізоляція зазвичай є елегаз (SF₆) або його суміші, що забезпечують високу електричну міцність і швидкий пробій. Однак система надзвичайно компактна, а характеристики пробивної напруги різкі та менш стійкі до викидів.
В результаті:
• Номінали BIL і BSL (базовий рівень комутації) у КРУЕ часто нижчі, ніж у AIS при тому ж напрузі системи.
• Для забезпечення рівномірного розподілу напруги використовуються електроди, що вирівнюють конденсатори і ємнісні дільники.
• Встановлення розрядника в КРУЕ зазвичай є невід'ємною частиною конструкції обладнання, а довжина проводів між розрядником і обладнанням, що захищається, зводиться до кількох сантиметрів.
У зв'язку з крутими фронтами хвиль у КРУЕ координація чутлива до форми імпульсу: імпульс з тривалістю фронту <0,5 мкс може викликати перекриття, навіть якщо його пікове значення нижче за номінальний рівень BIL, через концентрацію енергії. Таким чином, координація по фронту хвилі стає критично важливою в КРУЕ, і обмежувачі перенапруги повинні бути обрані як для фронту, так стандартних імпульсів 1,2/50 мкс.
Розподільний пристрій з повітряною ізоляцією (AIS)
У системах AIS зазори значно більші та менші обмежені геометрією корпусу. У повітря більш тривалий час пробою, що робить системи AIS дещо стійкішими до стрибків тиску, що швидко ростуть.
Однак:
• Фактори довкілля (вологість, забруднення, висота над рівнем моря) суттєво впливають на поведінку ізоляції.
• Перекриття відбувається зовні, тому може призвести до більш довгих дуг та зовнішніх пошкоджень.
• Довжина висновків до розрядників часто більша, що збільшує ризик індуктивної перенапруги, якщо це не мінімізовано за допомогою міжз'єднань або додаткових пристроїв вирівнювання напруги.
Координація розрядників у системах AIS часто включає як блоки MOV станційного класу, так і додаткове екранування, особливо на підстанціях надвисокої напруги (400 кВ), де комутаційні перенапруги визначають конструкцію ізоляції.
Таблиця 1. Питання координації GIS та AIS
Ключові висновки
Управління перенапругами, викликаними грозовими розрядами та комутаційними перенапругами, за допомогою розрядників, екранування та координації ізоляції відіграє найважливішу роль у забезпеченні безпеки та стійкості високовольтних мереж. Правильний вибір та координація роботи захисних пристроїв з ізоляцією системи дозволяють енергопостачальним організаціям мінімізувати кількість відмов обладнання, скоротити час простою та підвищити стабільність передачі електроенергії. Ці методи особливо важливі у сучасних мережах надвисокої напруги, де наслідки пробою ізоляції мають як технічне, і економічне значення.
ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ
