Устройство защиты от перенапряжений (УЗПН)

Комбинация искровых промежутков с ограничителями перенапряжения нелинейными получила название устройств защиты от перенапряжений для сетей напряжением до 35 кВ.

По данным РАО «ЕЭС России», общая протяжённость находящихся в эксплуатации в Российской Федерации ВЛ 6 и 10 кВ превышает 1200 тыс. км. Надёжность электроснабжения потребителей в значительной мере определяется надёжностью работы ВЛ 6 и 10 кВ. В силу ряда причин надёжность работы ВЛ 6 и 10 кВ является относительно низкой.

Одной из основных причин аварий и нарушений питания на ВЛ 6 — 10 кВ являются грозовые воздействия, которые составляют до 40% от общего числа их отключений. Они вызывают повреждения изоляторов, опор, проводов, приводят к замыканиям на землю, дуговым перенапряжениям и автоматическим отключениям. Вследствие низкого уровня импульсной прочности линейной изоляции ВЛ 6 — 10 кВ являются весьма подверженными грозовым отключениям, так как практически все перенапряжения от прямых ударов молний и значительная часть индуктированных перенапряжений приводят к перекрытиям изоляторов, с большой вероятностью переходящим в силовую дугу напряжения промышленной частоты.

Кроме того, внедрение в нашей стране распределительных воздушных линий с защищёнными изоляцией проводами (ВЛЗ), которые имеют ощутимые эксплуатационно-технические преимущества перед ВЛ с неизолированными проводами по меньшей повреждаемости, надёжности электроснабжения потребителей, безопасности, габаритам, предопределяет необходимость применения какой-либо системы их грозозащиты для предотвращения пробоев изоляции и пережога проводов силовым током короткого замыкания. Особенностью проблемы грозозащиты ВЛЗ является то, что в случае отсутствия специальных мер, при грозовом перекрытии изоляторов линии, сопровождаемом пробоем изоляции провода, образующаяся с большой вероятностью дуга промышленной частоты не имеет возможности перемещаться по проводу и горит в месте пробоя изоляции до момента отключения линии. Это зачастую приводит к повреждению изоляторов, обжигу изоляции провода, а в случае больших токов короткого замыкания — к пережогу проводов.

Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4 — 10 кВ от грозовых перенапряжений, разработанные ОАО «РОСЭП» и утверждённые ОАО «ФСК ЕЭС», обязывают защищать ВЛЗ от грозовых перенапряжений. Кроме того, в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС», утверждённом в 2006 году, прямо указывается на необходимость защиты ВЛ 6 — 35 кВ от грозовых перенапряжений. Одним из вариантов защиты указывается использование ограничителей перенапряжений нелинейных ОПН (УЗПН). Также применение средств грозозащиты ВЛ 6 -10 кВ целесообразно для особо ответственных линий, к которым предъявляются повышенные требования по надёжности (например, ВЛ, питающие объекты нефтегазодобычи), или же для линий, проходящих в районах с повышенной интенсивностью грозовой деятельности.

В настоящее время основной технической мерой, призванной снижать ущерб от грозовых отключений ВЛ 6 — 10 кВ, в России служит автоматическое повторное включение. АПВ негативным образом отражается на коммутирующем и другом высоковольтном оборудовании. Поэтому АПВ эффективно далеко не везде. Также само по себе автоматическое повторное включение не защищает от пережога провода ВЛЗ.

Для защиты воздушных линий электропередачи переменного тока напряжением 6 и 10 кВ от перенапряжений ЗАО «МЗВА» совместно с НПО «Полимер-Аппарат» разработаны устройства защиты нелинейные типа УЗПН, представляющие собой линейный ОПН с внешним искровым промежутком.

Устройства предназначены для снижения числа грозовых отключений воздушных линий и предотвращения пережога изолированных проводов ВЛЗ дугой сопровождающего грозовой импульс тока промышленной частоты.

На рис. 18 показана установка УЗПН на линии 10 кВ.

Рис. 18. Установка УЗПН на ЛЭП

В состав устройства входят:

• 1. Ограничитель перенапряжений.
• 2. Электрод 1.
• 3. Электрод 2.
• 4. Прокалывающий зажим.
• 5. Провод.
• 6. Кронштейн.
• 7. Искровой промежуток.

Устройство состоит из:

• — ограничителя перенапряжений нелинейного (ОПН) специальной конструкции;
• — искрового промежутка (ИП) между фазным проводом и ОПН.

Нелинейный ограничитель перенапряжений представляет собой защитный аппарат, состоящий из одной колонки последовательно соединённых варисторов, заключённой в герметичный полимерный корпус. ОПН с помощью специальной арматуры крепится на опорах (как анкерных, так и промежуточных) воздушных линий электропередачи.

При воздействии на провода индуктированных перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами вблизи ВЛ или при прямых ударах молнии в провода ВЛ, искровой промежуток УЗПН пробивается и подсоединяет к проводу нелинейный ограничитель перенапряжений, который благодаря снижению собственного сопротивления в этот момент осуществляет эффективный сброс перенапряжения на заземлённые части опор через электроды, минуя изоляторы, что предохраняет их от перекрытия и повреждения, а провод от пережога. После снятия индуктированного перенапряжения при воздействии напряжения промышленной частоты ток через ОПН за счёт возврата сопротивления ОПН до исходных значений ограничивается до величины, при которой существование дуги в искровом промежутке невозможно, и дуга гаснет.

Устройства предназначены для защиты изоляции ВЛ от индуктированных перенапряжений и перенапряжений при прямых ударах молнии в провода ВЛ с амплитудами до 65 кА. Прямое воздействие молнии с большей амплитудой может вызвать повреждение («спекание») ОПН, но благодаря особенности УЗПН — наличию внешнего искрового промежутка в цепи ОПН — это не приведёт к постоянному замыканию провода на землю.

Доля прямых ударов молнии в совокупности опасных для изоляции ВЛ перенапряжений в зависимости от степени экранирования составляет от 0 до 10%. Кроме того, по данным ОАО «НИИПТ», вероятность удара молнии с амплитудой, превышающей 65 кА, — 0,2. Таким образом, вероятность повреждения УЗПН не велика (не более 2%). Например, на ВЛ 10 кВ длиной 100 км, расположенной в Ленинградской области, можно ожидать повреждение одного устройства не чаще одного раза в 2 года. Один раз в год перед началом грозового сезона рекомендуется совершать обход ВЛ, защищённой УЗПН, и заменять повреждённые аппараты, если такие имеются.

Устройства устанавливаются по одному на каждую опору с последовательным чередованием фаз. Установка необходимой величины искрового промежутка (L) производится на стадии монтажа.

Основные характеристики Основные технические параметры УЗПН представлены в таблице 4.

Таблица 4. Основные технические параметры УЗПН.

ПРИМЕЧАНИЕ:

При использовании на ВЛ с нестандартным уровнем изоляции защитные характеристики УЗПН легко координируются изменением длины искрового промежутка. В этом случае длина искрового промежутка должна выбираться и быть проверена с точки зрения координации обеспечиваемого защитного уровня и необходимого уровня изоляции для конкретных ВЛ.

Сравнение УЗПН с другими средствами защиты ВЛ 6 — 10 кВ от грозовых перенапряжений.

1. Дугозащитные рога (устройства защиты от дуги (УЗД) Конструкция и размещение дугозащитных рогов выбирается таким образом, чтобы любое длительное однофазное замыкание переходило в межфазное, при котором автоматическая защита отключает всю воздушную линию. Последующим АПВ или РПВ линия приводится в исходное состояние. Кратковременное же однофазное замыкание благодаря спиральным шунтам, защищающим провод в районе изоляторов, не представляет опасности для изолированного провода и не приводит к межфазному замыканию и, соответственно, к отключению линии автоматической защитой, что доказано опытом эксплуатации обычных ВЛ с «голыми» проводами.

Проще говоря, устанавливаемые на все три провода вблизи изоляторов дугозащитные рога вместе со спиральными шунтами, обвивающими провод имитируют в районе опоры участок с «голыми» проводами (примерно 1,5 метра). Поскольку на линии с «голыми» проводами дуга под воздействием электро-динамических сил способна перемещаться одним из своих концов вдоль провода, возможность повреждения последнего вследствие теплового воздействия дуги маловероятна, что однозначно подтверждает опыт эксплуатации обычных ВЛ 6 — 10 кВ с голыми проводами. При перекрытии изоляторов вследствие индуктированных перенапряжений токи дуговых замыканий, практически, всегда будут ограничиваться сопротивлениями заземления опор и не будут превышать 500А, что будет представлять из себя кратковременное однофазное замыкание на землю. В этом случае дуга под воздействием электродинамических сил, также как и в случае с голыми проводами будет иметь возможность свободного перемещения по защитному шунту УЗД, что исключит возможность длительного теплового воздействия на изолированный провод, находящийся под защитным шунтом.

В случае длительного однофазного замыкания на землю, обусловленного прямыми ударами молнии и токами замыкания более 500 А, однофазное замыкание переходит в межфазное, так как расстояние между проводами соседних фаз на линиях с изолированными проводами значительно меньше (на 200 мм), чем на линиях с «голыми» проводами. Сокращённое межфазное расстояние создаёт предпосылки к переходу однофазного замыкания в межфазное, способствующим фактором которого является активная ионизация воздуха в районе горения дуги. Таким образом, дугозащитные рога (УЗД) являются надёжным и наиболее дешёвым средством грозозащиты. Однако при питании некоторых ответственных потребителей недопустимо полное прерывание питания даже на паузу АПВ. Тем более, что количество отключений ВЛ сильно увеличивается, т. к. многие из первоначально однофазных замыканий будут переходить в межфазные и, соответственно, приводить к отключению ВЛ. Ещё одним недостатком данной системы является возможность короткого межфазного замыкания при попадании на дугозащитные рога и шунты УЗД посторонних предметов (например, в лесистой местности), что может привести к выходу линии из строя уже на продолжительное время.

2. Длинно искровые разрядники РДИ и УЗПН Заявленные функциональные характеристики РДИ и УЗПН близки.

Принцип действия РДИ основан на исключении перехода искрового перекрытия в силовую дугу за счёт удлинения импульсного пути скользящего разряда. Данный эффект был описан ещё в 50 -х годах прошедшего столетия как отечественными, так и зарубежными специалистами, но не находил широкого применения в грозозащите ВЛ. Устройства, подобные УЗПН, уже долгое время успешно применяются во многих странах. Кроме того, неоспоримым фактом является то, что именно устройства на базе ОПН являются самым эффективным способом защиты от грозовых перенапряжений как самих линий, так и подстанционного оборудования, что подтверждено многолетним отечественным и зарубежным опытом эксплуатации данных устройств. Единственным преимуществом РДИ перед устройствами на базе ОПН считалась их стоимость. Финансовые возможности отечественных энергосистем не позволяли массово применять наиболее надёжные системы грозозащиты ВЛ импортного производства изза их высокой стоимости — около 9 тыс. рублей за комплект защиты одной фазы на опоре.

Сегодня современные технологии позволили ЗАО «МЗВА» и НПО «Полимер-Аппарат» создать отечественные аналоги лучших зарубежных устройств линейной грозозащиты на базе ОПН. При этом их стоимость сопоставима со стоимостью таких изделий, как РДИ (РДИП-10). Дополнительным достоинством устройств типа УЗПН является возможность присоединения к электродам, формирующим искровой промежуток, штатных штанг переносного заземления для обеспечения выполнения требований техники безопасности при работах на ВЛ, что до сих пор представляло значительные технические трудности на линиях с изолированными проводами.

В Сибирском научно-исследовательском институте энергетики (ОАО «СибНИИЭ») была проведена работа по теоретическому выбору параметров ограничителей перенапряжений, используемых для комплектации УЗПН. В последствии на экспериментальной модели были проведены испытания УЗПН с такими ограничителями перенапряжений.

Характеристики ограничителей перенапряжений, предназначенных для комплектации УЗПН, определённые в ОАО «СибНИИЭ»:

• — удельная энергоёмкость, не менее — 0,3 кДж/кВ;
• — остающиеся напряжения при воздействии номинального импульса тока 5 кА — не менее 17 кВ для УЗПН -6 и не менее 27 кВ для УЗПН -10.

Выбор остающегося напряжения обуславливался условием обрыва сопровождающегося тока. В работе были использованы характеристики современных варисторов, близкие к характеристикам варисторов, используемых НПО «Полимер-Аппарат» для комплектации ОПН.

Условное обозначение устройства: УЗПН — X1 — ХХ2, где:

Х1 — класс напряжения ВЛ (6 или 10);

ХХ2 — конструктивное исполнение узла крепления в зависимости от применяемых опор и изоляторов (ПШ — промежуточная опора со штыревыми изоляторами, ПО — промежуточная опора с опорными линейными изоляторами типа ОЛФ, АП — анкерная или промежуточная опора с полимерными подвесными изоляторами, АС — анкерная опора со стеклянными изоляторами типа ПС).

В комплект поставки входят: партия УЗПН; паспорт; руководство по эксплуатации, включающее техническое описание и руководство по монтажу (одно на партию поставляемых однотипных устройств).

В 2006 году в ОАО «НИИПТ» были проведены следующие испытания УЗПН 6 — 10 кВ:

1. проверка пропускной способности при воздействии:

прямоугольных импульсов тока длительностью 2000 мкс с максимальным значением 300 А;

грозовых импульсов тока 8/20 мкс с максимальным значением 5000 А;

• — импульсах большого тока 4/10 мкс с максимальным значением 65 кА.
• 2. определение остающихся напряжений при воздействии:
  • — грозовых импульсах тока 8/20 мкс;
  • — быстро нарастающих импульсов тока 1/10 мкс с максимальным значением 5000 А.
• 3. испытания по определению вольт-секундной характеристики и 50 -процентного разрядного напряжения искрового промежутка УЗПН.

Испытания изоляции, механической прочности, испытания на взрывобезопасность и др. были проведены ранее для соответствующих ограничителей перенапряжений.

Устройства взрывобезопасны. Срок службы устройств — не менее 30 лет.

Устройство соответствует требованиям технических условий ТУ 3414 -008 -15 207 362 -2003.

Устройство УЗПН сертифицировано — Сертификат соответствия № РОСС RU. ME05.Н5 740. Срок действия с 28.04.2007 г. по 26.04.2010 г.

Устройство аттестовано комиссией «ФСК ЕЭС», рекомендовано к применению.