Резонансостойкий ограничитель перенапряжений

 

Использование: в электротехнике, в частности в устройтвах защиты электрических сетей и установок от перенапряжений. Сущность: решает задачу улучшения защитных характеристик устройства для систем с изолированной, резонансно- или резисторно-заземленной нейтралью и повышения эффективности и надежности защиты от коммутационных и грозовых перенапряжений элегазовых распредустройств. Устройство содержит включенные между фазой защищаемой системы и землей последовательно соединенные искровой промежуток (ИП) и высоколинейный резистор, шунтированные емкостно-омическими делителями с частотно-зависимым коэффициентом деления, плечи которого состоят из параллельно соединенных, имеющих линейную вольт-амперную характеристику, резистора и конденсатора. Верхнее плечо делителя подключено параллельно искровому промежутку, нижнее параллельно высоконелинейному резистору. Параметры элементов делителя удовлетворяют условию, чтобы общая постоянная времени устройства (Т) не превышала 1,5·10^-3c, а коэффициент деления напряжения по емкостям превышал коэффициент деления напряжения по активным сопротивлениям. ИП может быть разделен на две части, тогда параллельно одной части, подключенной к системе, подключены параллельно включенные резистор и конденсатор, параллельно другой части ИП второй конденсатор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты электрических сетей и установок от перенапряжений.

Известны защитные устройства, эффективно применяющиеся для защиты сетей с заземленной нейтралью, например вентильные разрядники [1] или ограничители перенапряжений (ОПН) [2] Вентильные разрядники содержат искровые промежутки (ИП), последовательно с которыми включены активные сопротивления с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Ограничители перенапряжений состоят из сопротивлений с высоконелинейной ВАХ.

Недостатком известных устройств является ухудшение их защитных характеристик в режиме ограничения как коммутационных, так и грозовых перенапряжений тем большее, чем короче фронт волны воздействующего перенапряжения, что делает их недостаточно эффективными при защите сетей с изолированной резонансно или резисторно заземленной нейтралью, а также при защите элегазовых распредустройств, которые находят все более широкое распространение в этих сетях, и которые особенно нуждаются в эффективной защите при воздействии перенапряжений с крутым фронтом волны, поскольку вольт-секундная характеристика (ВСХ) элегаза в отличие от ВСХ всех других видов изоляции не зависит от крутизны фронта волны воздействующих перенапряжений, т.е. разрядное напряжение в элегазе не увеличивается в отличие от других видов изоляции с увеличением крутизны фронта волны напряжения.

Известен разрядник для защиты от перенапряжений [3] который представляет собой последовательно включенные искровой промежуток и высоконелинейный резистор, второй конец которого заземлен, а высоковольтный электрод ИП подключен к защищаемой системе, при этом параллельно высоконелинейному резистору включена параллельная схема из резистора и конденсатора, а параллельно ИП последовательная схема из резистора и конденсатора.

Это устройство обеспечивает постоянную величину разрядного напряжения независимо от длительности фронта волны перенапряжения при длине предразрядного времени волны τ≥1,5 мкс. В области τ≅1,5 мкс разрядное напряжение возрастает примерно на 3-5% [3] т.е. как это видно из кривых, приведенных в [3] в области τ < 10^-6 с защитные характеристики этого устройства ухудшаются. В реальных эксплуатационных условиях это ухудшение будет более значительным, а именно разрядное напряжение ИП в [3] возрастет, как показали экспериментальные исследования, по крайней мере на 10-15% в результате того, что волны перенапряжений в подавляющем большинстве случаев накладываются на синусоиду рабочего напряжения.

Другим существенным недостатком этого устройства является низкий уровень длительно допустимых квазистационарных (резонансных) перенапряжений, что уменьшает надежность их использования для защиты сетей с изолированной, резонансно или резисторно заземленной нейтралью, где при однополюсном замыкании на землю одной из фаз квазистационарное напряжение, воздействующее на здоровые фазы, повышается до величины линейного напряжения, т.е. U_л=U_ф что, как правило, не препятствует длительной эксплуатации другого оборудования сетей и распредустройств. Это защитное устройство не отвечает требованиям повышенной резонансостойкости, что подтверждается также расчетами, выполненными на ЭВМ для сетей 110 кВ с изолированной нейтралью при параметрах схемы защитного устройства, приведенных в [3] Согласно этим расчетам в режиме однофазного замыкания на землю в указанной сети длительность этого режима по условиям работы, допустимым для высоколинейных резисторов, не должна превышать 20 мин, если устройство выполнено с необходимым защитным уровнем, не превышающим 2,6U_ф.

Таким образом, низкая резонансостойкость этого устройства делает ненадежным его применение для защиты сетей с изолированной, компенсированной или резисторно заземленной нейтралью, где все более широкое применение получают и элегазовые распредустройства.

Прототипом предлагаемого устройства является разрядник для защиты от перенапряжений [4] который состоит из последовательно соединенных разрядного элемента с тремя электродами, образующими два последовательно включенных искровых промежутка, и нелинейного резистора, второй конец которого заземлен, причем параллельно каждому ИП включена схема из параллельно соединенных резистора и конденсатора, а параллельно высоколинейному резистору включен резистор.

Устройство по прототипу также не имеет независимой ВСХ в области очень коротких предразрядных времен волн перенапряжений, тем более, что в реальных условиях эксплуатации при наложении волны перенапряжения на синусоиду рабочего напряжения верхний предел пробивного напряжения искровых промежутков значительно, более чем на 15% возрастает, что ухудшает его защитную характеристику. При использовании такого устройства для защиты элегазового распредустройства возникнет необходимость увеличения его габаритов и соответственно существенного увеличения стоимости.

Эффективность защиты элегазового распредустройства будет тем выше, чем больше будет снижаться ВСХ защитного устройства по мере роста крутизны фронта волны перенапряжения в области очень малых предразрядных времен τ < 1 мкс, что не обеспечивается устройством прототипа.

Кроме того, оно не отвечает требованиям повышенной резонансостойкости, что подтвердили также расчеты, выполненные для сети 110 кВ в режиме однофазного замыкания на землю при параметрах защитного устройства по прототипу.

Технической задачей изобретения является улучшение защитных характеристик ограничителя перенапряжений для систем с изолированной, резонансно или резисторно заземленной нейтралью и при защите от перенапряжений элегазовых распредустройств путем снижения защитного уровня напряжения в режимах ограничения коммутационных и грозовых перенапряжений при одновременном увеличении допустимого времени воздействия линейного напряжения на здоровые фазы ограничителя перенапряжений.

Техническая задача решается в резонансостойком ограничителе перенапряжений для защиты от перенапряжений систем с изолированной, резонансно- или резисторно-заземленной нейтралью, а также элегазовых распределительных устройств, содержащем включенные между фазой защищаемой системы и землей последовательно соединенные искровой промежуток и высоконелинейный резистор, шунтированные емкостно-омическим делителем, верхнее плечо которого подключено параллельно искровому промежутку и состоит из параллельно включенных резистора и конденсатора, имеющих линейную вольт-амперную характеристику, нижнее плечо делителя подключено параллельно высоконелинейному резистору и состоит из резистора, причем высоконелинейный резистор представляет собой столб, состоящий из последовательно соединенных единичных элементов, благодаря тому, что делитель напряжения выполнен с частотно-зависимым коэффициентом деления, в нижнее плечо делителя параллельно резистору включен конденсатор, параметры элементов делителя удовлетворяют условию, чтобы общая постоянная времени Т не превышала величину 1,5 ˙10^-3 с, а коэффициент деления по емкостям конденсаторов К₁ превышал коэффициент деления по сопротивлениям резисторов К₂, а именно T ≅ 1,5·10^-3c; K₁ > K₂; K₁ K₂ где R₁, С₁ сопротивление резистора и емкость конденсатора верхнего плеча делителя; R₂, C₂ сопротивление резистора и емкость конденсатора нижнего плеча делителя.

Для решения технической задачи дополнительного усиления частотной зависимости коэффициента деления емкостно-омического делителя резонансостойкого ограничителя перенапряжений при воздействии на защищаемую систему перенапряжений с очень коротким фронтом волны искровой промежуток и верхнее плечо делителя разделены на два последовательно соединенных блока так, что первый блок искровых промежутков шунтирован параллельно соединенными резистором и первым конденсатором, второй блок вторым конденсатором, при этом параметры элементов делителя удовлетворяют условию T ≅ 1,5·10^-3c; n 2R₁R₂(C₁' ˙C₃ + C₂C₃ + C₁' ˙ C₂); m R₁(C₁' + C₃) + R₂(C₂ + C₃); C₁' ≥C₁; C₃ ≥C₁ где C₁' емкость первого конденсатора в верхнем плече делителя;
C₂ емкость конденсатора в нижнем плече делителя;
C₃ емкость второго конденсатора в верхнем плече делителя.

В резонансостойком ограничителе перенапряжений количество последовательно соединенных единичных элементов столба высоконелинейного окисноцинкового резистора выбрано исходя из того, что точка координации вольт-амперной характеристики высоконелинейного резистора отвечает следующему условию: при амплитуде тока в высоконелинейном резисторе, равной 10^-2 А, амплитуда напряжения на столбе резистора должна быть не менее линейного напряжения системы, т.е. U_ном .

Сущность изобретения заключается в повышении эффективности и надежности защиты систем с изолированной, компенсированной или резисторно заземленной нейтралью и элегазовых распредустройств при воздействии грозовых или коммутационных перенапряжений с коротким фронтом волны τ< 1 мкс резонансостойким ограничителем перенапряжений (ОПНР), вольт-секундная характеристика которого снижается по мере роста крутизны фронта волны перенапряжения, т.е. разрядное напряжение ОПНР снижается при воздействии очень коротких фронтов волны перенапряжения, улучшая тем самым его защитные характеристики, что особенно существенно для надежной защиты элегазовых распредустройств, поскольку вольт-секундная характеристика элегаза не зависит от крутизны волны воздействующего напряжения, а в случае применения устройства прототипа для защиты от перенапряжений должны быть увеличены как габариты, так и, особенно стоимость элегазового распредустройства.

Снижение защитного уровня ОПНР в режимах ограничения коммутационных и грозовых перенапряжений достигается при одновременном увеличении допустимого времени воздействия линейного напряжения до неограниченно большой длительности. Эти преимущества определяются заявленными отличительными признаками, состоящими в оптимальном выборе схемы и параметров емкостно-омического делителя ОПНР, который позволяет распределить амплитуду перенапряжения между искровыми промежутками и высоконелинейным резистором в зависимости от крутизны фронта волны перенапряжения так, что напряжение, воздействующее на высоконелинейный резистор (U_p) всегда будет меньше фазного напряжения (U_ф), а нижний предел разброса пробивных напряжений искровых промежутков (U_пр.н) всегда будет больше фазного, т.е. U_р ≅ U_ф ≅ U_пр.н.
Таким образом, заявленные отличительные признаки изобретения являются существенными для решения технической задачи.

На фиг. 1 приведена эквивалентная структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 вариант структурной схемы устройства с двумя искровыми промежутками; на фиг. 3 вольт-секундные характеристики предлагаемого устройства ОПНР, устройства прототипа и элегазовой изоляции.

Резонансостойкий ограничитель перенапряжений 1 подключен к фазе защищаемой системы 1 высоковольтным электродом искрового промежутка 2, другой электрод которого соединен последовательно с выводом высоконелинейного резистора 3, второй вывод которого заземлен. Параллельно искровому промежутку 2 присоединен параллельный контур из резистора 4 и конденсатора 5, а параллельно нелинейному резистору 3 контур из резистора 6 и конденсатора 7.

Искровой промежуток 2 выполнен в устройстве (фиг. 2) из двух блоков искровых промежутков 8 и 9, параллельно искровому промежутку 8 присоединен параллельный контур из резистора 4 и конденсатора 5, а параллельно искровому промежутку 9 присоединен конденсатор 10.

Все элементы емкостно-омического делителя имеют линейную вольт-амперную характеристику.

При однополюсном замыкании одной из фаз на землю в сети 1 с изолированной или резисторно-заземленной нейтралью на двух неповрежденных фазах возникает напряжение, равное в пределе линейному, которое действует сколь угодно долго, до устранения короткого замыкания в поврежденной фазе. В отличие от устройства прототипа, которое согласно предлагаемым расчетам может длительно выдерживать линейное напряжение только при условии ухудшения его защитной характеристики, т.е. повышения защитного напряжения, а при улучшении защитной характеристики до 2,6 U_фвыдерживает линейное напряжение резко ограниченное время, не более примерно 20 мин, устройство резонансостойкого ограничителя перенапряжений ОПНР выдерживает длительно без ограничения времени воздействие линейного напряжения, если параметры всех элементов аппарата выбраны так, чтобы в режиме однополюсного короткого замыкания на землю системы 1 при частоте 50 Гц напряжение U_р, воздействующее на плечо емкостно-омического делителя (6, 7), параллельное высоконелинейному резистору 3, и нижний предел разброса пробивных напряжений искровых промежутков 2 на частоте 50 Гц (U_пр.н), отвечая соотношению
U_p ≅ U_ф ≅ U_пр.н Постоянная времени Т емкостно-омического делителя с параметрами резистора 4 и конденсатора 5 в верхнем плече делителя соответственно R₁и С₁, а резистора 6 и конденсатора 7 в нижнем плече делителя соответственно R₂ и С₂ выбрана из условия
T ≅ 1,5·10^-3c Если это условие нарушено, то к моменту нарастания напряжения (50 Гц) до амплитуды в полупериоде, следующем после импульса тока, т.е. за 5-10 мс, емкости С₁ и С₂ конденсаторов 5 и 7 делителя не успевают разрядиться, что приводит к увеличению воздействий напряжения на искровые промежутки 2, вследствие чего снизится значение длительно выдерживаемых ОПНР квазистационарных (резонансных) перенапряжений промышленной частоты.

При выборе параметров делителя необходимо обеспечить выполнение условия, чтобы перегрев резистора 3 при длительном воздействии линейного напряжения и в режимах перемежающейся дуги не превосходил заданного уровня, в настоящее время определенного документами Международной электротехнической комиссии величиной 60-80^оС.

Соотношение параметров делителя, при котором с ростом крутизны фронта волны перенапряжения все большая часть ее амплитуды перераспределяется на искровые промежутки, а меньшая на высоконелинейный резистор, удовлетворяется, если:
K₁ > K₂
С ростом класса номинального напряжения техническая задача оптимального распределения напряжения между элементами ОПНР усложняется, кроме того, волна коммутационного или грозового перенапряжения в большинстве случаев накладывается на синусоиду рабочего напряжения, что приводит к увеличению разброса пробивных напряжений искрового промежутка, и защитная характеристика устройства ухудшается, определяясь верхним пределом этого разброса. Опыт производства и эксплуатации показывает, что на доверительном уровне 0,9 уменьшить естественный уровень разброса менее, чем до величины ±(5-8)% практически не удается, а с ростом класса номинального напряжения устройства задача прогрессивно усложняется. Поэтому при защите элегазовых распредустройств эффективность предлагаемого ОПНР будет тем больше, чем сильнее будет снижаться его ВСХ, особенно в области очень коротких, τ< 1 мкс, фронтов волн перенапряжений.

Для усиления частотной зависимости ВСХ ОПНР искровой промежуток 2 разделен на два последовательно соединенных блока искровых промежутков 8, 9. При этом искровой промежуток 8 шунтирован контуром из параллельно соединенных резистора 4 с активным сопротивлением R₁ и конденсатора 5 с емкостью С₁' ≥ C₁, а второй искровой промежуток 9 шунтирован конденсатором 10 с емкостью С₃ ≥С₁.

Теоретическое рассмотрение показывает, что при малых крутизнах фронта волны (например, в области единиц или десятков микросекунд) большая доля амплитуды волны подлежащих ограничению перенапряжений воздействует на блок искровых промежутков 9, что приводит к принудительному каскадному пробою сначала промежутка 9, а затем промежутка 8. Наоборот, чем короче фронт волны подлежащих ограничению перенапряжений (особенно в наносекундном диапазоне), тем большая доля амплитуды волны воздействует на блок искровых промежутков 8, что опять-таки приводит к принудительному каскадному пробою, но теперь сначала промежутка 8, а затем промежутка 9.

Вследствие видоизменения верхнего плеча частотно-зависимого делителя (фиг. 2) условие выбора параметров элементов этого делителя, задающих постоянную времени Т, приобретает вид:
T ≅ 1,5·10^-3c;
n 2R₁R₂(C₁' ˙C₃ + C₂C₃ + C₁'C₂);
m R₁(C₁' + C₃) + R₂(C₂ + C₃), где C₁' емкость первого конденсатора в верхнем плече делителя;
С₂ емкость конденсатора в нижнем плече делителя;
С₃ емкость второго конденсатора в верхнем плече делителя.

В качестве примера были проведены испытания двух полномасштабных опытных образцов предлагаемого устройства на 10 кВ и одного устройства на 6 кВ. Испытания проводились на высоковольтном оборудовании НИИПТ и специально сооруженном стенде, на котором моделировалась перемежающаяся дуга замыкания на землю. В процессе испытаний осуществлялось воздействие на опытные образцы ОПНР напряжения промышленной частоты и косоугольной волны перенапряжения с предразрядным временем как τ= 1,5 мкс, так и τ= 2000 мкс. Пробивные напряжения искровых промежутков фиксировались при воздействии напряжения с частотой 50 Гц, импульсного напряжения с косоугольной волной и при наложении импульса перенапряжения с предразрядным временем τ= 1,5 мкс на синусоиду промышленной частоты 50 Гц.

Результаты испытаний предлагаемого устройства приведены в таблице.

Из данных таблицы следует, что защитные характеристики как ОПНР-6, так и ОПНР-10 в режиме ограничения коммутационных перенапряжений не превосходят 2,5 U_ф, в режиме ограничения грозовых перенапряжений при амплитуде тока 5000 А не превосходят 2,9 U_ф, а допустимая длительность воздействия линейного напряжения не имеет ограничений.

На фиг. 3 приведены вольт-секундные характеристики предлагаемого устройства ОПНР при воздействии косоугольной волны перенапряжений с предразрядным временем τ= 1,5 мкс, наложенной на синусоидальное рабочее напряжение частотой 50 Гц (кривая 1), при воздействии только косоугольной волны перенапряжения с фронтом τ= 1,5 мкс (кривая 2), а также для сравнения приведены ВСХ устройства разрядника по прототипу (кривая 3) и ВСХ элегазовой изоляции (кривая 4).

Как показали соответствующие расчеты и эксперименты, ВСХ предлагаемого резонансостойкого ограничителя перенапряжений полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к устройствам для ограничения перенапряжений в системах с изолированной или не эффективно заземленной нейтралью, а также к устройствам для защиты элегазовых распредустройств, для которых крайне существенно, что при увеличении крутизны фронта воздействующей волны перенапряжения разрядное напряжение ОПНР не только не увеличивается, но наоборот, уменьшается.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает существенными отличительными признаками, позволяющими решить поставленную техническую задачу с помощью резонансостойкого ограничителя перенапря- жений, имеющего частотно-зависимую вольт-секундную характеристику, что значительно улучшает его защитные характеристики и имеет принципиально важное значение для защиты элегазовых распредустройств, находящих все более широкое распространение.

Формула изобретения

1. РЕЗОНАНСОСТОЙКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ для защиты от перенапряжений систем с изолированной резонансно- или резисторно- заземленной нейтралью, а также элегазовых распределительных устройств, содержащий включенные между фазой защищаемой системы и землей последовательно соединенные искровой промежуток и высоконелинейный резистор, шунтированные емкостно-омическим делителем, верхнее плечо которого подключено параллельно искровому промежутку и состоит из параллельно включенных резистора и конденсатора, имеющих линейную вольт-амперную характеристику, нижнее плечо делителя подключено параллельно высоконелинейному резистору и состоит из резистора, причем высоконелинейный резистор представляет собой столб, состоящий из последовательно соединенных единичных элементов, отличающийся тем, что делитель напряжения выполнен с частотно-зависимым коэффициентом деления, в нижнее плечо делителя параллельно резистору включен конденсатор, параметры элементов делителя удовлетворяют условию, по которому общая постоянная времени T ≅ 1,5 · 10^-3 с, а коэффициент деления по емкостям конденсаторов K₁ > K₂ коэффициента деления по сопротивлениям резисторов, при этом


где R₁ и C₁ соответственно сопротивление резистора и емкость конденсатора верхнего плеча делителя;
R₂ и C₂ соответственно сопротивление резистора и емкость конденсатора нижнего плеча делителя.

2. Ограничитель по п.1, отличающийся тем, что искровой промежуток и верхнее плечо делителя разделены на два последовательно соединенных блока так, что первый блок искровых промежутков шунтирован параллельно соединенными резистором и первым конденсатором, второй блок вторым конденсатором, при этом параметры элементов делителя удовлетворяют условию




где емкость первого конденсатора в верхнем плече делителя;
C₂ емкость конденсатора в нижнем плече делителя;
C₃ емкость второго конденсатора в верхнем плече делителя.

3. Ограничитель по п. 1, отличающийся тем, что количество единичных элементов столба высоконелинейного резистора соответствует условию: при амплитуде тока в высоконелинейном резисторе 10^-2 А, амплитуда напряжения на столбе должна быть не менее амплитуды линейного напряжения системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4