Ограничители перенапряжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ограничители перенапряжений

1. Функциональное назначение программы, область применения, ее ограничения

ограничитель перенапряжение программа

Программа “Ограничители перенапряжений” создавалась как обучающе-контролирующая программа к одному из разделов дисциплины “Изоляция и перенапряжения в электрических системах”. Ее появление вызвано сокращением часов обязательных аудиторных занятий в образовательных стандартах второго поколения, что потребовало поиска нового подхода в изложении дисциплины “Изоляция и перенапряжения в электрических системах”, основные разделы которой вынесены на государственный экзамен и в дипломный проект. Преподавание дисциплины осложняется еще и тем, что последний учебник был издан еще в 1986 году [5](В 2003 году в С-Петербурге был издан новый учебник, но малым тиражом и в библиотеки он не попал [8]). За прошедшие годы появилось много нового электрооборудования, вышли новые нормативные документы, а у преподавателя нет возможности подробно рассказать обо всех изменениях студентам, так как курс лекций был сокращен с 68 до 18 часов. Конечно, студенты могут почерпнуть краткую информацию по основным вопросам в сети Интернет, однако, пока это доступно не многим студентам, да и здесь изложены в основном краткие сведения, по которым трудно изучить работу ограничителей. Уже первые экзамены и защиты дипломных проектов показали, что многие студенты не знают вопросов, вынесенных на самостоятельное изучение.

Поэтому было решено создать к наиболее важным разделам дисциплины “Изоляция и перенапряжения в электрических системах”, которые вынесены на государственный экзамен и дипломное проектирование обучающе - контролирующие программы: Это одна из таких программ.

В ней была собрана информация о ограничителях перенапряжений из учебников, справочников и заводских каталогов. Здесь приведены основные характеристики ОПН и конструктивные особенности исполнения. Рассказать все это на лекциях у преподавателя нет возможности. Одновременно студенты могут посмотреть фотографии ограничителей перенапряжений и нелинейных сопротивлений. Завершается программа набором вопросов, с помощью которых выясняется как усвоили студенты материал. Вопросы выбираются генератором случайных чисел с нарастающей сложностью (по аналогии с игрой “О, счастливчик!”) и не совпадают на соседних компьютерах. Лабораторная работа считается выполненной, если студент отвечает на 10 вопросов, а затем докажет, что он списал данные для отчета. Для этого необходимо ввести с клавиатуры по одному значению из каждой таблицы отчета, а какое конкретно - определит генератор случайных чисел. Причем на соседних компьютерах табличные данные одной зависимости отличаются в последнем знаке.

Программы создавалась студентами в течение нескольких лет, а затем редактировались преподавателем. Во время занятий было обнаружено немало недостатков программы, которая постоянно совершенствовалась, прежде чем приобрела окончательный вид. Экзамены показали, что студенты стали лучше разбираться в вопросах, изложенных в программе.

Программа особенно эффективна при работе со студентами, прогулявшими занятия, которых в последние годы стало больше, особенно среди студентов коммерческой формы обучения. Теперь преподавателю нет необходимости постоянно присутствовать во время повторных лабораторных работ, достаточно посадить студента в компьютерный класс, а затем проверить результат его работы.

Для того, чтобы студенты не пытались найти правильные ответы на вопросы простым перебором, не читая теоретической части, был введен таймер. Теперь каждую информацию невозможно убрать с экрана до истечения минимального времени (15-20 с). После этого подбор ответов стал невыгоден, так как приходится слишком долго ждать вывода на экран теоретической части и студент вынужден ее читать.

Программа хранятся в компьютерном классе кафедры, студенты 5 курса используют ее при подготовке к государственному экзамену и при выполнении дипломного проекта, а студенты заочного обучения - для самостоятельного изучения раздела.

Программа широко используется на курсах повышения квалификации, так как в настоящее время в электрических системах идет замена вентильных разрядников на ограничители перенапряжений. Программа приводит сравнение основных характеристик вентильных разрядников и ОПН и позволяет понять преимущества ОПН.

2. Используемые технические средства

Программа выполнены на алгоритмическом языке Pascal в среде DELPHI, работает в операционных системах Windows. Для их работы требуется персональный компьютер класса Pentium II и выше, с оперативной памятью не менее 32 Мбайт.

3. Специальные условия применения и требования организационного, технического и технологического характера

Программа используются в учебном процессе на дневном и вечернем обучении в виде лабораторной работы к дисциплине “Изоляция и перенапряжения в электрических системах”, а на заочном обучении - для самостоятельного изучения раздела курса.

Работа с программой может выполняться студентами самостоятельно без помощи преподавателя, так как все графики, рисунки и расчеты сопровождаются подробными комментариями и заканчивается контролем знаний.

Для работы с программой желательна домашняя подготовка: изучение теории рассматриваемого вопроса (по учебному пособию [9]). Но лабораторную работу можно выполнять и без домашней подготовки, так как все теоретические положения выводятся на экран монитора. Домашняя подготовка ускоряет выполнение работы.

После домашней подготовки работа с программой рассчитана на 1,5 часа и имеет 2 этапа.

3.1 Основные теоретические положения, необходимые для успешной работы с программой

[Эти теоретические положения взяты из учебного пособия (Шкаруба М. В

Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебное пособие. ?Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.? 64 c. [9]). С ними студенты должны познакомится перед выполнением лабораторной работы, чтобы ускорить ее выполнение].

Долгое время основным средством защиты электрооборудования от грозовых перенапряжений на действующих подстанциях были вентильные разрядники, которые используются на всех подстанциях 35 кВ и выше, если к ним подходят воздушные линии 1.

Основной недостаток вентильных разрядников связан с тем, что резисторы на основе карборунда обладают сравнительно невысокой нелинейностью.

Разработанные в 70-е годы в СССР и за рубежом резисторы на основе окиси цинка (ZnO, рис. 1) обладают значительно большей нелинейностью, чем резисторы на основе карборунда. Это позволило создать новый тип защитного аппарата без искрового промежутка (рис. 2) ? нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН).

Оксидно-цинковая (металлооксидная) керамика ? это нелинейный материал, получаемый в результате высокотемпературного обжига (1280?1300 °С) смеси состоящей из окиси цинка (ZnO) и некоторого количества оксида другого металла: висмута, сурьмы, кобальта, марганца и т.п. (масса самой весомой из добавок составляет менее 4 % массы оксида цинка).

Рис. 1. Нелинейный резистор ограничителя перенапряжений

Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики равен б=0,02?0,16 и зависит от сочетания добавок к оксиду цинка и от температуры обжига материала. Такая высокая нелинейность обусловливает похождение при рабочем напряжении через нелинейные резисторы тока порядка долей миллиампера, что позволило исключить искровой промежуток и подключить резистор ОПН непосредственно к сети (рис. 2). Такой ток безопасен для резистора.

Рис. 2. Защита электрооборудования подстанции ограничителем перенапряжений

Применительно к ОПН отсутствуют понятия напряжения срабатывания и напряжения гашения. Когда напряжение на ОПН увеличивается, то ток через ограничитель непрерывно возрастает без задержки согласно вольт-амперной характеристике (рис. 4). Пробоя не происходит, резисторы постепенно переходят в проводящее состояние. Когда перенапряжение затухает, ток снова уменьшается в соответствии с характеристикой и гашения сопровождающего тока не наблюдается.

Ограничители перенапряжения имеют ряд преимуществ по сравнению с разрядниками:

- меньшие габариты;

- ограничивают грозовые и коммутационные перенапряжения (большинство разрядников только грозовые);

- ниже уровень ограничения перенапряжений (грозовых до 2,0-2,4 U_ф, коммутационных до 1,65-1,8 U_ф) 5;

- ограничители ОПНИ могут ограничивать межфазные напряжения;

- большие пропускные токи.

Условное обозначение ограничителей перенапряжения состоит из нескольких букв и цифр. Первые три буквы (ОПН) означают ограничитель перенапряжения нелинейный. Четвертая буква обозначает наиболее существенные признаки ограничителя: И ? с искровым промежутком, О ? облегченный, В ? для защиты вентилей, Н ? для защиты разземляемой нейтрали, С ? для защиты электрооборудования станций. Далее после черточки указывается номинальное напряжение. В обозначении могут также указываться исполнение ОПН (римская цифра), климатическое исполнение и категория размещения.

Первоначально (в 80-е годы) ОПН начали применяться на напряжения 110 кВ и выше [6]. В последние годы, на рынке России появились ОПН на более низкие напряжения отечественного и зарубежного производства. Поэтому в 1999 году вышло новое издание “Руководства по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений” 3, в котором сказано, что основным средством снижения перенапряжения на изоляции электрооборудования подстанции являются ОПН и рекомендуется заменить разрядники на ОПН.

Основные характеристики ограничителей перенапряжений

1. Класс напряжения - номинальное напряжение сети, в которой устанавливается разрядник.

2. Номинальный разрядный ток - это амплитудное значение импульса

тока длительностью 8/20 мкс, используемый для классификации ограничителя.

3. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (U_ндр) - это

самый важный параметр для ограничителей перенапряжений. В ОПН нет искрового промежутка, потому через резистор ОПН токи текут постоянно. Чтобы не произошло теплового разрушения ОПН нужно правильно выбрать U_ндр.

Для сети с эффективно заземленной нейтралью (k<1,4) U_ндр определяется по формуле

U_ндр>1,05,

где множитель 1,05 является 5% запасом; U_м- максимальное напряжение сети U_м= U_н.

Например, для ОПН -110 кВ получим U_ндр 73 кВ.

Сети 6-35 кВ работают с изолированной или заземленной через реактор нейтралью. Однофазное замыкание в таких сетях немедленно не выключается и напряжение на здоровых фазах возрастает до линейного. Поэтому в сетях с изолированной или заземленной через реактор нейтралью U_ндр определяется по формуле U_ндр>U_м.

Например, для ОПН-10 кВ получим U_ндр 12 кВ.

4. Вольт-временная характеристика

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение безопасно для ОПН. Однако коммутационные и резонансные перенапряжения превышают эту величину. Устойчивость ОПН к кратковременным перенапряжениям можно определить по вольт-временной характеристике ограничителя. На рис. 3 приведена вольт-временная характеристика ОПН-110 кВ.

Рис. 3. Вольт-временная характеристика ОПН-110 кВ

Если кратности перенапряжений превышают расчетные, то они должны быть скоординированы с действием релейных защит.

5. Остающееся напряжение

Другими важными параметрами ОПН являются остающиеся напряжения , которые должны быть согласованы с вольт-секундной характеристикой защищаемого электрооборудования. Остающееся напряжение - это напряжение на ОПН при прохождении через него разрядного тока. Оно, как и у вентильного разрядника, определяется по вольт-амперной характеристике нелинейного резистора и зависит от величины, а также от формы волны разрядного тока. На рис. 4 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики РВТ-10 кВ и ОПН-10 кВ.

Рис.4. Вольт-амперные характеристики РВТ-10 кВ и ОПН-10 кВ

6. Защитная характеристика ограничителя

Уровень защиты вентильного разрядника определяется вольт-секундной характеристикой , которая строится в соответствии с характеристикой пробоя искрового промежутка и вольт-амперной характеристикой нелинейного резистора. У ОПН нет искрового промежутка, поэтому уровень защиты ОПН определяется только вольт-амперной характеристикой нелинейного резистора.

Защитная характеристика ограничителя - это комбинация остающихся напряжений на резисторе ОПН для импульсов разной формы. Защитную характеристику достаточно описать тремя видами импульсов тока: грозовой импульс с крутым фронтом (1/20 или 1/40 мкс), грозовой импульс (8/20 мкс) и коммутационный импульс (например, 30/60 мкс). Защитная характеристика ограничителя должна лежать ниже характеристики уровня изоляции электрооборудования во всем диапазоне волн.

7. Коэффициент нелинейности резистора

Коэффициент нелинейности резистора определяется по формуле

= log(U₁/U₂)/log(I₁/I₂);

где U₁, U₂ - напряжения соседних точек на графике (рис. 4); I₁, I₂ - токи в этих же точках.

Коэффициент нелинейности оксидно-цинковой керамики составляет

=0,02-0,16 (для коммутационных импульсов =0,03-0,05, для грозовых - =0,07-0,16).

7. Пропускная способность ОПН

К сожалению, резистор ОПН не долговечен. При каждом токовом воздействии в нелинейном резисторе выделяется большое количество энергии. Суммарную энергию, воздействие которой нелинейный резистор способен выдержать без разрушения, называют пропускной способностью ОПН. Нормированное число воздействий предельным допустимым током обычно равно двадцати.

Допустимый ток сильно зависит от формы импульса и его длительности. Причем чем больше длительность импульса, тем меньше допустимый ток. В справочниках обычно указывают два значения: для грозового импульса и для тока промышленной частоты.

Например, ОПН-10 кВ может выдержать 20 импульсов 1200/2500 мкс по 280 А или 20 грозовых импульсов 8/20 мкс по 5 кА (или 2 импульса 8/20 по 15 кА).

Эмпирическая зависимость между амплитудой (I) импульса и его длительностью (t_в) описывается уравнением 4

где m- постоянная (для ОПН m=0,6-0,65).

Рис. 5. Эмпирическая зависимость пропускной способности ОПН-10 кВ

(для 20 импульсов)

При многократном воздействии больших токов различной длительности на резисторы происходит их старение. Оно проявляется в увеличении остающегося напряжения во всем диапазоне токов (т.е. смещении вольт-амперной характеристики вверх) и увеличении тока проводимости.

Конструкция ОПН

Диски ОПН помещаются в герметический корпус, защищающий их от влажности. Ограничители перенапряжений, которые выпускались в СССР (и России) в 80-90-е годы [5-6], все были в фарфоровых корпусах и имели одинаковые резисторы диаметром 28 мм и высотой 10 мм. Для удобства сборки ОПН были разделены на несколько одинаковых блоков, которые устанавливались один на другой. Каждый блок состоял из нескольких параллельных колонок резисторов. Например, в ОПН-110 колонок было 4, а в ОПН -750 - 30. Причем колонки в блок подбирались так, чтобы они имели одинаковые токи при фазном напряжении и одинаковые остающиеся напряжения при грозовом импульсе.

Для улучшения теплоотдачи, пространство между резисторами и фарфоровой покрышкой заполняется сухим кварцевым песком.

Для выравнивания напряжения вдоль блоков ОПН, начиная со 110 кВ, применяются кольцевые трубчатые экраны.

В настоящее время корпуса ограничителей перенапряжений выполняются, в зависимости от местоположения и области применения, из электротехнического фарфора, полиуретана или из кремнеорганической резины .

Полимерные корпуса обеспечивают взрывобезопасность ограничителей перенапряжений, поскольку даже при разрыве их полимерной покрышки не образуют разлетающихся кусков, как при взрыве ограничителя в фарфоровом корпусе. Кремнеорганическая резина стойка к загрязнениям.

ОПН в фарфоровых корпусах сейчас снабжают мембраной [6]. В случае повреждения дисков и чрезмерном увеличении давления газа происходит разрыв мембраны, что предупреждает разрыв корпуса.

В настоящее время резисторы имеют разные размеры [6]: диаметры 41, 51, 61 и 76 мм, толщину от 22 до 35мм. Это позволяет получать ограничители с разной пропускной способностью.

Порядок работы с программой

Программа начинается с вывода на экран названия и номера лабораторной работы (рис. 6).

Рис. 6. Начало лабораторной работы

Работа состоит из двух частей. В первой части рассмотрены ОНП на 110 кВ и выше.

Сначала в ней рассмотрены основные характеристики ОПН на 110 кВ и выше. Особое внимание уделено таким характеристикам, которых нет у вентильных разрядников, например, наибольшему длительно допустимому рабочему напряжению и вольт-временной характеристике.

Характеристики ОПН постоянно сравниваются с характеристиками вентильных разрядников. Затем рассмотрены конструктивные особенности разных моделей.

Во 2 части рассмотрены ОНП на 3 - 35 кВ.

Сначала рассмотрены основные характеристики ОПН на 3-35 кВ. Затем приведены конструктивные особенности разных моделей.

В конце программы студент должен ответить на 10 вопросов. Если на все вопросов были даны правильные ответы, то начинается проверка, как добросовестно студенты списывали таблицы. Необходимо ввести по одному значению из 4 таблиц.

Если при вводе табличных данных ошибок не было, то на экране появляется сообщение:"Лабораторная работа сделана на отлично!".

На рис.7 приведена схема алгоритма программы , используемой как лабораторная работа .

Рис. 7. Упрощенная схема алгоритма программы

4. Условия передачи программной документации или ее продажи

Для заинтересованных лиц и вузов реализация данного программного продукта осуществляется через руководителя проекта, к.т.н., доцента М.В.Шкарубу.

Библиографический список

1. Правила устройства электроустановок, 6-е издание.- СПб.:Издательство ДЕАН, 1999.-928 с.

2. Правила устройства электроустановок. Разд. 4. 7-е изд.? М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003.?104 с.

3. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3-35.125-99. Издание второе.-СПб., 1999.-353 с.

4. Рекомендации по технологическому проектированию подстанций переменного тока с высшим напряжением 35?750 кВ.? М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004.? 80 c.

5. Техника высоких напряжений: изоляция и перенапряжения в электрических системах/Под общ. ред. В.П. Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1986.-464 с.

6. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения/Под ред. В.В. Афанасьева. Л.: Энергоатомиздат, 1987,-544 с.

7. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения./ Под ред. И.А. Баумштейна, С.А. Бажанова. М.: Энергоатомиздат,1989.-768 с.

8. Техника высоких напряжений: Учебник для вузов/ И.М.Богатенков, Ю.Н. Бочаров, Н.И. Гумерова, Г.М. Иманов и др.; Под ред. Г.С. Кучинского. - СПб.: Энергоатомиздат. Санкт- Петер. отд-ние, 2003. - 608 с.

9. Шкаруба М. В. Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Учебное пособие. ?Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.? 64 c.

10. Техническая документация ограничителей перенапряжений ОАО “Электрозавод”, научно-производственного предприятия “Техкомплекс” и др.

11. Руководство по выбору высоковольтных ограничителей перенапряжений производства фирмы АББ (Швейцария),1996.

12. Каталог ограничителей перенапряжений РК “ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК”.г. Москва.

13. Выбор, испытание и применение металлоксидных ограничителей перенапряжений в сетях среднего напряжения.ABB, Switzerland, 1994 г.,52

14. Халилов Ф.Х. Вопросы выбора и размещения нелинейных ограничителей перенапряжений средних классов напряжения (0,22-35 кв), СПб., 2004.- 43 с.

15. Халилов Ф.Х. Выбор нелинейных ограничителей перенапряжений для установки в сетях 110-750 кв, СПб., 2005.- 43 с.

Размещено на Allbest.ru