SU1096702A1 - Ограничитель перенапр жений - Google Patents

Abstract

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, содержащий изол ционный корпус, внутри которого установлены в колонну высоконелинейные резисторы, выполненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхност х, отличающийс   тем, что, с целью улучшени  защитных характеристик путем снижени  грозового и коммутационного коэффициентов защиты и повьш1ени  его быстроБИЫши ЬЬА действи ,, вс  колонна резисторов или последовательно включенные группы резисторов , из которых состоит эта колонна , шунтированы кажда , дополнительно введенной цепочкой из последовательно включенного линейного резистора и конденсатора, причем сопротивление R -линейного резистора указанной цепочки выбрано из услови  обеспечени  минимального грозового коэффициента защиты, а емкость конденсатора цепочки, максимально допустима  мощность Р потерь в цепочке , кругова  частота СО переменного тока сети и падение напр жени  U на i всей колонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, котора  (Л шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении с Г-, -ГгРм Сл1  -7-77 Со- U

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и предназначено дл  защиты изол ции линий электропередачи и оборудовани  распредустройств переменного и посто нного тока от грозовых и коммутационных перенапр жений . Известны ограничители перенапр жени  переменного тока, например вентильные разр дники, выполн емые с резисторами на основе карбида кре ни  с показателем нелинейности oi 0,2-0,4, предназначенные дл  защи ты от перенапр жени  изол ции обору довани  переменного тока lj. Резисторы с таким показателем нелинейности неустойчивы в тепловом отношении в нормальном эксплуатацио ном режиме и поэтому в вентильных разр дниках они всегда примен ютс  с последовательно включенными искро выми промежутками, отдел ющими в нормальном эксплуатационном режиме резисторы от фазных проводов (или шин). Наличие искровых промежутков ухудшает защитные свойства аппарату ры и увеличивает его габариты, вес и стоимость. В последние годы дл  ограничени  перенапр жений начали использовать защитные устройства с нелинейными резисторами на основе оксида цинка. У таких резисторов показатель нелинейности составл ет ой 0,02-0,04, и они могут быть включены в сеть пере менного тока без последовательных искровых промежутков. Наиболее близким техническим ре шением к изобретению  вл етс  ограничитель перенапр жений, содержащий изол ционный корпус, внутри которог установлены в колонну высоконелиней ные резисторы, выполненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхност х 2 . I, Такие ограничители перенапр жений характеризуютс  по сравнению с вентильными разр дниками лучшими защитными свойствами, меньшими габа ритами и массой. Они нашли применение в сет х переменного тока классо напр жени  3- 750 кВ. К недостаткам данных ограничител перенапр жений следует отнести дост точно высокие значени  коэффициенто защиты от коммутационных ( ,82) и грозовых ( ,2) перенапр жений В р де случаев, в особенности, дщ  линий электропередачи на высокие классы напр жений требуютс  ограничители с меньшими коэффициентами защиты. Другим недостатком этих ограничителей перенапр жений  вл етс  малое быстродействие, вследствие чего коэффициенты защиты дл  коротких импульсов перенапр жени  имеют большие значени , чем дл  длинновременРазработка ограничителей перенапр жений , имекицих высокое быстродействие и коэффициенты защиты от коммутационных и грозовых перенапр жений как можно более близкие к единице,  вл етс  важной задачей электротехники , направленной на повьшение надежности и безопасности эксплуатации лиНИИ электропередачи и электротехнического оборудовани . Одной из причин, преп тствукнцих снижению коэффициентов защиты  вл етс  уменьшение нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) оксидно цинковых резисторов в области сильных токов (I 1А) . Исследовани  ВАХ оксидно-цинковых резисторов на пр моугольных импульсах напр жени  показали , что причиной уменьшени  коэффициента нелинейности  вл етс  переходной процесс в материале резистора, характеризующийс  отставанием тока от напр жени . Этот переходной процесс снижает быстродействие ограничител  перенапр жений и приводит к тому, что коэффициент защиты.дл  коротких импульсов перенапр жени  (грозовые импульсы) имеет большие значени , чем дл  более длинновременных импульсов (коммутационные импульсы). Целью насто щего изобретени   зл етс  улучшение защитных характеристик , путем снижени  грозового и коммутационного коэффициентов защиты, и повьш1ение быстродействи  ограничител  перенапр жений. Указанна  цель достигаетс  тем, что в ограничителе перенапр жений, содержащем изол ционный корпус, внутри которого установлены в колонну высоконелинейные резисторы, выпблненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхност х, согласно изобретению, вс  колонна резисторов ип  последовательно включенные группы резисторов, из которых состоит эта колонна, шунтированы кажда  дополнительно введенной цепог1кой из последовательно включенного линейного резистора и конденсатора, причем со противление R линейного резистора указанной цепочки выбрано из услови обеспечени  минимального грозового коэффициента защиты а емкость С конденсатора цепочки, максимально д пустима  мощность Р, потерь в цепоч ке, кругова  частота СО переменного тока сети и падение напр жени  U на всей колонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, кото ра  шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении Сл. W-U На фиг. 1 представлена принципиальна  схема ограничител  перенапр жений с включением RC -цепочки параллельно всей колонне резисторов на фиг. 2 - вариант выполнени  огра ничител  перенапр жений с подключени ем RC -цепочек параллельно соответст вующим группам колонны резисторов; на фиг. 3 - осцилограммы а к S напр  женин Uj и тока 1 дл  одиночного высоконелинейного оксидно-цинкового резистора; на фиг. 4 - вольтамперные характеристики (ВАХ) нелинейного оксидно-цинкового резистора при воздействии импульсов перенапр жени  длительности L, (крива  в ) и длитель ность ь (крива  г ); на фиг. 5 - кри вые зависимостей коэффициента защиты К от длительности воздействующего импульса перенапр жени  при отсутствии RC -цепочки (крива д) и при наличии RC -цепочки (крива  е ); на фиг. 6 - кривые X и 3 зависимостей соответственно грозового К и коммутационного К, коэффициентов защиты от сопротивлени  цепочки нормированного к сопротивлению, ограничител  при грозовом перенапр жении при фиксированном значении емкости конденсатора C,C-цепочки равном С 0,5 мкф; н§ фиг. 7 - крива  зависимости л минимальных значений К 2 грозового коэффициента защиты К, (фиг. А) от емкости С конденсатора С, RC-цепочки и кривые м зависимости мощности Р, тер емой в RC-цепочке током промьпиленной частоты от емкости конденсаторайс -цепочки дл  различных фиксированных значений номинального напр жени  сети U. 702 - 4 Ограничитель перенапр жений состоит (фиг. 1) из герметизированного изол ционного фарфорового корпуса 1, снабженного экранной арматурой 2, параллельных колонок нелинейных резисторов 3, высоковольтного конденсатора 4 и линейного резистора 5. Кажда  колонка резисторов состоит из последовательно включенных единичных высоконелинейных резисторов, выполненных из материала на основе окиси цинка и снабженных электродами, на несенными на торцовые поверхности резисторов, служащими контактами при их последовательном соединении. Компенсирующа  RC-цепочка включает высоковольтный конденсатор 4 и линейный резистор 5, который выполнен из бэтэла или нихрсмового провода. RC-цепочка подключаетс  к выводам ограничител  с помощью шип 6, Другой вариант конструкции иллюстрируетс  на фиг. 2. В отличие от предыдущего варианта здесь несколько компенсирующих RC -цепочек из конденсаторов 4 и резисторов 5 монтируютс  внутри фарфорового корпуса 1 ;Вместе с нелинейными резисторами. Такое включение компенсирующих/гС-цепочек способствует созданию равномерного распределени  напр жени  по аппарату в нормальном эксплуатационном режиме. Отставание тока от напр жени , обусловленное переходным процессом в материале высоконелинейных оксидноцинковых резисторов, иллюстрируетс  фиг. 3. Этот переходной процесс приводит к тому, что вольтамперна  характеристика нелинейного резистора в области сильных токов идет более полого , т.е. с меньшим коэффициентом нелинейности дл  импульсов с меньшей длительностью (фиг.4). Это в свою очередь ведет к зависимхзсти коэффициента заш;иты К от длительности импульса перенапр жени , представленной на фиг. 5 (крива с ). Така  зависимость свидетельствует о недостаточно высоком быстродействии ограничител  перенапр жений на основе высоколинейных оксидно-цинковых резисторов. Дл  уменьшени  коэффициентов ащиты К и увеличени  быстродействи  граничител  необходимо либо исклюить , либо компенсировать переходный процесс в материале нелинейных резис торов. Компенсацию можно осуществить включа  параллельно ограничителю перенапр жений цеаочку из последовательно соединенных линейного резисто ра и конденсатора (RC-цепочку). Ком пенсирующее действие RC -цепочки иллюстрируетс  данными фиг. 6. Сопротивление R цепочки на фиг. 6 нормиро вано к сопротивлению Rj ограничител  при грозовом перенапр жении: j - грозовой коэффициент защигде к 2 ограничител  перенапр жений ты дл  без компенсирующей RC-цепочки, ток, протекающий через ограничитель при воздействии грозового перенапр жени ; UQ- номинальное напр жение сети. Например, дл  ограничител  напр жений на номинальное напр жение , 220 кВ I, сети равное R2 34 Ом. Кривые ж и ъ зависимостей kj (RIRi) mK(R|R|i;), представленные на фиг. 6,  вл ютс  универсальными, они спра .ведливы дл  ограничителей на любой класс напр жени . Эти зависимости мо но экспериментально сн ть, например, на отдельном нелинейном резисторе с параллельной RC-цепочкой. В этом случае величина Rg должна соответствовать сопротивлению отдельного нелинейного резистора при воздействии на ограничитель грозового перенапр жени . Как видно, кривые Ж и 3 (фиг. 6) зависимостейX2(R|R2)HK(R|Rj) имеют минимум при определенной величине Я| R2-Минимальные значени  К2 и k2 коэффициентов Kg и к меньще, чем соответствующие коэффициенты защиты дл  ограничител  без компенсирующей RC -цепочки. Ограничитель перенапр жений с компенсирующей RC-цепочкой имеет более слабую зависимост коэффициента защиты от длительности импульса перенапр жени  (фиг. 5, кри ва  е), что указывает на его более высокое быстродействие. Значени  К. коэффициентов за щиты в минимуме зависимостей(кtCR/R и (R(R2) уменьшаютс  с ростом емкости RC -цепочки (фиг. 7, крива  л ) При достаточно больших значени х можно существенно снизить коэффициен защиты. Однако, необходимо учесть тот факт, что в сет х переменного то ка включение параллельно ограничито 1ю RC -цепочки ведет к по влению дополнительных потерь, средн   мощность которых определ етс  соотношением , 2LiUi Rc где СО - кругова  частота переменного Параметры RC -цепочки, необходимые дл  компенсации переходного процесса в нелинейных оксидно-цинковых резисторах всегда таковы, что дл  промышленных частот выполн етс  условие СО RC. 1, что дает возможность представить выражение дл  средней мощности в виде: Зависимости Р от емкости С конденсатора RC -цепочки приведены дл  различных значений номинального напр жени  UQ на фиг. 7 (кривые м, ). Мощность потерь в RC -цепочке растет при увеличении емкости С и номинального напр жени  Up в сети переменного тока. Поэтому выбор емкости С должен быть ограничен максимально допустимой дл  данного класса напр жений средней мощностью Р/ , котора  тер етс  в цепочке. С учетом этого емкость конденсатора С должна выбиратьс  таким образом, чтобы обеспечивалось соотношение (ucrRUo которое можно также представить более удобном дл  расчетов виде Исходными данными дл  выбора параметров компенсирующей RC -цепочки служит семейство зависимостей Kf(R/R2) которые предварительно снимаютс  при фиксированных значени х емкости С дл  отдельного нелинейного резистора или колонны резисторов, параллельно которым подключаетс  RC -цепочка. Практически выбор параметров RC-цепочки производ т следующим образом. Исход  из известных дл  данного ограничител  перенапр жений номинального напр жени  Пд,сети, тока при воздействии грозового перенапр жени  IT и коэффициента защиты К2 , рассчитывают по формуле (1) сопротивление ограничител  j при грозовом перенапр жении . Затем выбирают одну из кривых семейства , которой соответствует некоторое значение ем кости С конденсатора RC -цепочки. По минимуму этой кривой наход т отношение уножив его на найденное ранее значение сопротивлени  определ ют сопротивление R резисто ра компенсирующей цепочки. Провер ют, ю

удовлетвор ет ли значение емкости С конденсатора условию (5). Если удовлетвор ет , то выбор параметров RC -це почки дл  ограничител  перенапр жений закончен. Если условие (5) нару- J5 шаетс , то выбирают другую кривую из семейства K2(R/R7) сн тую при меньшем значении емкости С конденсатора RC -цепочки. По этой кривой аналогичным образом наход т величину сопро- о

тивлени  К резистора, затем провер ют вьтолнение соотношени  (5). Если вновь соотношение (5) не выполн етс , то описанные операции провод т в том же пор дке пока значение емкости С RC -цепочки не будет удовлетвор ть соотношению (5).

Значение коэффициента защиты, которое будет иметь ограничитель перенапр жений с компенсирующей RC-цe почкой, выбранной описанным выше способом , наход т по минимуму соответствующей кривой К2 R (RjV Расчет и эксперимент показывают, что выбор емкости компенсирующей RC-цепочки дл  сетей перееденного тока на классы напр жений свьш1е 125кВ ограничен сверху значени ми 0,1-0,5мкф

В пределах указанных ограничений удаетс  снизить коэффициент защиты на 15-25%, а отношение . на 13%

Ограничитель перенапр жений работает следующим образом.

В нормальном эксплуатационном режиме через устройство, один вывод которого подключен к линии электропередачи , другой - на землю, протекает ток, равный сумме токов через нелинейные резисторы 3 и RC -цепочзисторов 3 на импульсах защитный аппарат ограничивает перенапр жение в сети.

Причем RC-цепочка, параметры которой выбраны описанным выше способом, на импульсах будет создавать дополнительный ток, компенсирующий отставание тока от напр жерш  в материале нелинейных резисторов, тем самым

и обеспечива , более глубокое и эффективное ограничение перенапр жений. После прекращени  перенапр жени  через ограничитель вновь протекает только ток промышленной частоты, определ емый и резисторов и параметрами RC -цепочки.

Подключение параллельно колонне

И безопасность эксплуатации линий электропередачи и электротехнического оборудовани . Уменьшение коэффициентов защиты дл  грозовых и коммутационных перенапр жений  вл етс  фактором, позвол ющим снизить уровень изол ции распредустройств подстанций, тем самым сэкономить значительное количество изол ционных материалов, уме-ньшить габариты и вес указанных устройств . 02 ку, состо щую из конденсатора 4 и резистора 5, (на посто нном напр жении ток через RC -цепочку равен нулю). На переменном напр жении ток определ етс  диэлектрической проницаемостью , тангенсом угла диэлектрических потерь оксидно-цинковых резисторов и параметрами RC-цепочки . При по влений перенапр жени . благодар  высокой нелинейности реувеличива  быстродействие аппарата резисторов или параллельно каждой ее Группе RC-цепочки, выбранной указанным Bbmie образом, позвол ет повысить быстродействие ограничител  перенапр жений , снизить коэффициенты защиты дл  грозовых и коммутационных перенапр жений на 19-25%. Это позвол ет существенно увеличить эффективность защиты, повысить надежность

0.6 «е

t.ffe

Vi lit. l)t/ Фш.

Kg-flf lfftl

o-o--o

Л7/ 7 fffKt

cpv.6

,

Ю

С,пкФ

220f(6

P,8m

Ю

1.5

,0

ф(/г. 7

Claims (1)

1. ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, содержащий изоляционный корпус, внутри которого установлены в колонну высоконелинейные резисторы, выполненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхностях, отличающийс я тем, что, с целью улучшения защитных характеристик путем снижения грозового и коммутационного коэффициентов защиты и повышения его быстро действия,. вся колонна резисторов или последовательно включенные группы резисторов, из которых состоит эта колонна, шунтированы каждая, дополнительно введенной цепочкой из последовательно включенного линейного резистора и конденсатора, причем сопротивление R -линейного резистора указанной цепочки выбрано из условия обеспечения минимального грозового коэффициента защиты, а емкость конденсатора цепочки, максимально допустимая мощность Р_м потерь в цепочке, круговая частота 6) переменного тока сети и падение напряжения (J на всей ко'лонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, которая шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении