Ограничитель перенапряжений Советский патент 1984 года по МПК H01C8/04 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты изоляции линий электропередачи и оборудования распредустройств переменного и постоянного тока от грозовых и коммутационных перенапряжений. Известны ограничители перенапряжения переменного тока, например вентильные разрядники, выполняемые с резисторами на основе карбида кре ния с показателем нелинейности oi 0,2-0,4, предназначенные для защи ты от перенапряжения изоляции обору дования переменного тока lj. Резисторы с таким показателем нелинейности неустойчивы в тепловом отношении в нормальном эксплуатацио ном режиме и поэтому в вентильных разрядниках они всегда применяются с последовательно включенными искро выми промежутками, отделяющими 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 для ограничения перенапряжений начали использовать защитные устройства с нелинейными резисторами на основе оксида цинка. У таких резисторов показатель нелинейности составляет 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 является ограничитель перенапряжений, содержащий изоляционный корпус, внутри которог установлены в колонну высоконелиней ные резисторы, выполненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхностях 2 . I, Такие ограничители перенапряжений характеризуются по сравнению с вентильными разрядниками лучшими защитными свойствами, меньшими габа ритами и массой. Они нашли применение в сетях переменного тока классо напряжения 3- 750 кВ. К недостаткам данных ограничител перенапряжений следует отнести дост точно высокие значения коэффициенто защиты от коммутационных ( ,82) и грозовых ( ,2) перенапряжений В ряде случаев, в особенности, дщя линий электропередачи на высокие классы напряжений требуются ограничители с меньшими коэффициентами защиты. Другим недостатком этих ограничителей перенапряжений является малое быстродействие, вследствие чего коэффициенты защиты для коротких импульсов перенапряжения имеют большие значения, чем для длинновременРазработка ограничителей перенапряжений, имекицих высокое быстродействие и коэффициенты защиты от коммутационных и грозовых перенапряжений как можно более близкие к единице, является важной задачей электротехники, направленной на повьшение надежности и безопасности эксплуатации лиНИИ электропередачи и электротехнического оборудования. Одной из причин, препятствукнцих снижению коэффициентов защиты является уменьшение нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) оксидно цинковых резисторов в области сильных токов (I 1А) . Исследования ВАХ оксидно-цинковых резисторов на прямоугольных импульсах напряжения показали, что причиной уменьшения коэффициента нелинейности является переходной процесс в материале резистора, характеризующийся отставанием тока от напряжения. Этот переходной процесс снижает быстродействие ограничителя перенапряжений и приводит к тому, что коэффициент защиты.для коротких импульсов перенапряжения (грозовые импульсы) имеет большие значения, чем для более длинновременных импульсов (коммутационные импульсы). Целью настоящего изобретения язляется улучшение защитных характеристик, путем снижения грозового и коммутационного коэффициентов защиты, и повьш1ение быстродействия ограничителя перенапряжений. Указанная цель достигается тем, что в ограничителе перенапряжений, содержащем изоляционный корпус, внутри которого установлены в колонну высоконелинейные резисторы, выпблненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхностях, согласно изобретению, вся колонна резисторов ипя последовательно включенные группы резисторов, из которых состоит эта колонна, шунтированы каждая дополнительно введенной цепог1кой из последовательно включенного линейного резистора и конденсатора, причем со противление R линейного резистора указанной цепочки выбрано из услови обеспечения минимального грозового коэффициента защиты а емкость С конденсатора цепочки, максимально д пустимая мощность Р, потерь в цепоч ке, круговая частота СО переменного тока сети и падение напряжения U на всей колонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, кото рая шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении Сл. W-U На фиг. 1 представлена принципиальная схема ограничителя перенапряжений с включением RC -цепочки параллельно всей колонне резисторов на фиг. 2 - вариант выполнения огра ничителя перенапряжений с подключени ем RC -цепочек параллельно соответст вующим группам колонны резисторов; на фиг. 3 - осцилограммы а к S напря женин Uj и тока 1 для одиночного высоконелинейного оксидно-цинкового резистора; на фиг. 4 - вольтамперные характеристики (ВАХ) нелинейного оксидно-цинкового резистора при воздействии импульсов перенапряжения длительности L, (кривая в ) и длитель ность ь (кривая г ); на фиг. 5 - кри вые зависимостей коэффициента защиты К от длительности воздействующего импульса перенапряжения при отсутствии RC -цепочки (криваяд) и при наличии RC -цепочки (кривая е ); на фиг. 6 - кривые X и 3 зависимостей соответственно грозового К и коммутационного К, коэффициентов защиты от сопротивления цепочки нормированного к сопротивлению, ограничителя при грозовом перенапряжении при фиксированном значении емкости конденсатора C,C-цепочки равном С 0,5 мкф; н§ фиг. 7 - кривая 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, теряемой в RC-цепочке током промьпиленной частоты от емкости конденсаторайс -цепочки для различных фиксированных значений номинального напряжения сети U. 702 - 4 Ограничитель перенапряжений состоит (фиг. 1) из герметизированного изоляционного фарфорового корпуса 1, снабженного экранной арматурой 2, параллельных колонок нелинейных резисторов 3, высоковольтного конденсатора 4 и линейного резистора 5. Каждая 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. Компенсирующая RC-цепочка включает высоковольтный конденсатор 4 и линейный резистор 5, который выполнен из бэтэла или нихрсмового провода. RC-цепочка подключается к выводам ограничителя с помощью шип 6, Другой вариант конструкции иллюстрируется на фиг. 2. В отличие от предыдущего варианта здесь несколько компенсирующих RC -цепочек из конденсаторов 4 и резисторов 5 монтируются внутри фарфорового корпуса 1 ;Вместе с нелинейными резисторами. Такое включение компенсирующих/гС-цепочек способствует созданию равномерного распределения напряжения по аппарату в нормальном эксплуатационном режиме. Отставание тока от напряжения, обусловленное переходным процессом в материале высоконелинейных оксидноцинковых резисторов, иллюстрируется фиг. 3. Этот переходной процесс приводит к тому, что вольтамперная характеристика нелинейного резистора в области сильных токов идет более полого, т.е. с меньшим коэффициентом нелинейности для импульсов с меньшей длительностью (фиг.4). Это в свою очередь ведет к зависимхзсти коэффициента заш;иты К от длительности импульса перенапряжения, представленной на фиг. 5 (криваяс ). Такая зависимость свидетельствует о недостаточно высоком быстродействии ограничителя перенапряжений на основе высоколинейных оксидно-цинковых резисторов. Для уменьшения коэффициентов ащиты К и увеличения быстродействия граничителя необходимо либо исклюить, либо компенсировать переходный процесс в материале нелинейных резис торов. Компенсацию можно осуществить включая параллельно ограничителю перенапряжений цеаочку из последовательно соединенных линейного резисто ра и конденсатора (RC-цепочку). Ком пенсирующее действие RC -цепочки иллюстрируется данными фиг. 6. Сопротивление R цепочки на фиг. 6 нормиро вано к сопротивлению Rj ограничителя при грозовом перенапряжении: j - грозовой коэффициент защигде к 2 ограничителя перенапряжений ты для без компенсирующей RC-цепочки, ток, протекающий через ограничитель при воздействии грозового перенапряжения; UQ- номинальное напряжение сети. Например, для ограничителя напряжений на номинальное напряжение , 220 кВ I, сети равное R2 34 Ом. Кривые ж и ъ зависимостей kj (RIRi) mK(R|R|i;), представленные на фиг. 6, являются универсальными, они спра.ведливы для ограничителей на любой класс напряжения. Эти зависимости мо но экспериментально снять, 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 перенапряжения. Как видно, кривые Ж и 3 (фиг. 6) зависимостейX2(R|R2)HK(R|Rj) имеют минимум при определенной величине Я| R2-Минимальные значения К2 и k2 коэффициентов Kg и к меньще, чем соответствующие коэффициенты защиты для ограничителя без компенсирующей RC -цепочки. Ограничитель перенапряжений с компенсирующей RC-цепочкой имеет более слабую зависимост коэффициента защиты от длительности импульса перенапряжения (фиг. 5, кри вая е), что указывает на его более высокое быстродействие. Значения К. коэффициентов за щиты в минимуме зависимостей(кtCR/R и (R(R2) уменьшаются с ростом емкости RC -цепочки (фиг. 7, кривая л ) При достаточно больших значениях можно существенно снизить коэффициен защиты. Однако, необходимо учесть тот факт, что в сетях переменного то ка включение параллельно ограничито 1ю RC -цепочки ведет к появлению дополнительных потерь, средняя мощность которых определяется соотношением , 2LiUi Rc где СО - круговая частота переменного Параметры RC -цепочки, необходимые для компенсации переходного процесса в нелинейных оксидно-цинковых резисторах всегда таковы, что для промышленных частот выполняется условие СО RC. 1, что дает возможность представить выражение для средней мощности в виде: Зависимости Р от емкости С конденсатора RC -цепочки приведены для различных значений номинального напряжения UQ на фиг. 7 (кривые м, ). Мощность потерь в RC -цепочке растет при увеличении емкости С и номинального напряжения Up в сети переменного тока. Поэтому выбор емкости С должен быть ограничен максимально допустимой для данного класса напряжений средней мощностью Р/ , которая теряется в цепочке. С учетом этого емкость конденсатора С должна выбираться таким образом, чтобы обеспечивалось соотношение (ucrRUo которое можно также представить более удобном для расчетов виде Исходными данными для выбора параметров компенсирующей RC -цепочки служит семейство зависимостей Kf(R/R2) которые предварительно снимаются при фиксированных значениях емкости С для отдельного нелинейного резистора или колонны резисторов, параллельно которым подключается RC -цепочка. Практически выбор параметров RC-цепочки производят следующим образом. Исходя из известных для данного ограничителя перенапряжений номинального напряжения Пд,сети, тока при воздействии грозового перенапряжения IT и коэффициента защиты К2 , рассчитывают по формуле (1) сопротивление ограничителя j при грозовом перенапряжении. Затем выбирают одну из кривых семейства , которой соответствует некоторое значение ем кости С конденсатора RC -цепочки. По минимуму этой кривой находят отношение уножив его на найденное ранее значение сопротивления определяют сопротивление R резисто ра компенсирующей цепочки. Проверяют, ю

удовлетворяет ли значение емкости С конденсатора условию (5). Если удовлетворяет, то выбор параметров RC -це почки для ограничителя перенапряжений закончен. Если условие (5) нару- J5 шается, то выбирают другую кривую из семейства K2(R/R7) снятую при меньшем значении емкости С конденсатора RC -цепочки. По этой кривой аналогичным образом находят величину сопро- о

тивления К резистора, затем проверяют вьтолнение соотношения (5). Если вновь соотношение (5) не выполняется, то описанные операции проводят в том же порядке пока значение емкости С RC -цепочки не будет удовлетворять соотношению (5).

Значение коэффициента защиты, которое будет иметь ограничитель перенапряжений с компенсирующей RC-цe почкой, выбранной описанным выше способом, находят по минимуму соответствующей кривой К2 R (RjV Расчет и эксперимент показывают, что выбор емкости компенсирующей RC-цепочки для сетей перееденного тока на классы напряжений свьш1е 125кВ ограничен сверху значениями 0,1-0,5мкф

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

Ограничитель перенапряжений 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 перенапряжение в сети.

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

и обеспечивая, более глубокое и эффективное ограничение перенапряжений. После прекращения перенапряжения через ограничитель вновь протекает только ток промышленной частоты, определяемый и резисторов и параметрами RC -цепочки.

Подключение параллельно колонне

И безопасность эксплуатации линий электропередачи и электротехнического оборудования. Уменьшение коэффициентов защиты для грозовых и коммутационных перенапряжений является фактором, позволяющим снизить уровень изоляции распредустройств подстанций, тем самым сэкономить значительное количество изоляционных материалов, уме-ньшить габариты и вес указанных устройств. 02 ку, состоящую из конденсатора 4 и резистора 5, (на постоянном напряжении ток через RC -цепочку равен нулю). На переменном напряжении ток определяется диэлектрической проницаемостью , тангенсом угла диэлектрических потерь оксидно-цинковых резисторов и параметрами RC-цепочки. При появлений перенапряжения. благодаря высокой нелинейности реувеличивая быстродействие аппарата резисторов или параллельно каждой ее Группе RC-цепочки, выбранной указанным Bbmie образом, позволяет повысить быстродействие ограничителя перенапряжений, снизить коэффициенты защиты для грозовых и коммутационных перенапряжений на 19-25%. Это позволяет существенно увеличить эффективность защиты, повысить надежность

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 повьш1ения его быстроБИЫши ЬЬА 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 потерь в цепочке, круговая частота СО переменного тока сети и падение напряжения U на i всей колонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, которая (Л шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении с Г-, -ГгРм Сл1я -7-77 Со- U

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

,0

ф(/г. 7