Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях

Подождите немного. Документ загружается.

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 131

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Таблица 3.8

Внутренний диаметр

трубы, мм

Толщина стенки, мм Масса при длине 1м,

кг

50 7 2,25

65 8 3,30

90 10 5,65

120 10 7,35

140 10 8,50

Существенным недостатком стеклопластика на эпоксидной

основе является его нестойкость к атмосферным воздействиям и воз-

действиям частичных дуговых разрядов на его поверхности при ув-

лажнениях. При высоком качестве стеклопластика проникновение вла-

ги в него ограничено (~0,1%), однако достаточно, чтобы при колебани-

ях температуры разрушить поверхностный слой связующего (эпоксид-

ного компаунда). Частичные дуговые разряды образуются при увлаж-

нении поверхности изолятора вследствие протекания по ней токов

утечки. При этом выделяется тепло, достаточное для подсушки от-

дельных пятен на поверхности изолятора. Эти подсушенные пятна бы-

стро превращаются в подсушенные кольца, т.к. ток утечки, обходя

пятно, концентрируется в прилегающих к пятну областях в поперечном

к линиям тока направлении. Подсушенная кольцевая зона тотчас пере-

крывается, т.к. к ней оказывается приложенным все напряжение, воз-

действующее на изолятор (при одной подсушенной кольцевой зоне).

После перекрытия возникает дуга с падающей вольтамперной характе-

ристикой и с температурой в стволе около 4000°С. При этом темпера-

тура опорных точек этих дужек не может быть больше 100°С, т.к. они

располагаются по краям разорванного слоя влаги. Быстрая подсушка

влаги в опорных точках дужки вынуждает ее постоянно перемещяется

вдоль подсушенной кольцевой зоны. А тонкий слой воздуха между

стволом дужки и сухой поверхностью стеклопластика предохраняет

его от быстрого сгорания.

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 132

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Однако, высокая температура в стволе дужек приводит к дис-

социации молекул газов, составляющих воздух. Молекулы кислорода

распадаются на атомы, а атомарный кислород является активным

окислителем. В соединении с молекулами кислорода атомарный ки-

слород достигает поверхности стеклопластика в составе молекул озона

(О

), который легко отдает лишний атом поверхности стеклопластика.

А тот в свою очередь разрушает эпоксидный компаунд с выделением

на поверхности стеклопластика углерода. Постепенное накопление на

поверхности стеклопластика проводящего углерода приводит в конеч-

ном счете к резкому изменению условий горения дуги: ее опорные

точки смещаются с влажного слоя на проводящую поверхность стек-

лопластика и фиксируются на нем, вызывая разогрев стеклопластика и

соответственно его разрушение. Эта завершающая часть процесса раз-

рушения поверхности стеклопластика развивается чрезвычайно быст-

ро, образуя науглероженные дорожки (треки). Поэтому стойкость ма-

териалов к поверхностным частичным разрядам получила название

трекингостойкости. Несмотря на чрезвычайные усилия ведущих иссле-

довательских центров мира получить стеклопластик, стойкий к воздей-

ствию климатических условий и трекингостойкий, не удалось. Успе-

хом закончились лишь разработки стеклопластика с защитным трекин-

гоэрозиостойким покрытием из кремнийорганической резины. В этом

материале углерод полностью замещен кремнием. При его частичном

разрушении под воздействием агрессивной среды на поверхности вы-

падает непроводящий белый порошок, легко сдуваемый ветром. При

толщине защитного слоя 5 мм в течение 30 лет сохраняются его за-

щитные свойства.

Связь двух разнородных материалов (кремнийорганической

резины и стеклопластика) обеспечивается с помощью специально раз-

работанных адгезивов, имеющих химическое сродство как со стекло-

пластиком (с эпоксидным компаундом), так и с кремнийорганической

резиной. В результате получается монолитный материал с высокими

механическими, электрическими и климатическими свойствами. Нали-

чие такого материала позволило создать весьма экономичную конст-

рукцию ОПН, удовлетворяющую всем требованиям эксплуатации. Ко-

лонка варисторов помещается внутрь стеклопластикового цилиндра с

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 133

зазором между внутренней поверхностью цилиндра и варисторами,

обеспечивающим возможность заливки в образовавшуюся полость

герметика. На обоих концах изоляционной трубы (стеклопластик с за-

щитным ребристым покрытием из кремнийорганической резины) ук-

репляются металлические оконцеватели. Между верхним оконцевате-

лем и колонкой варисторов устанавливается пружина, развивающая

усилие, не менее 1 кг на 1 см

поверхности варисторов для обеспечения

достаточного контакта между варисторами.

Заземляемый конец колонки варисторов опирается на дюра-

люминиевую шайбу, опирающуюся в свою очередь на дюралюминие-

вую втулку, распирающую с внутренней стороны стеклопластиковый

цилиндр. Эта втулка упирается во внутреннюю поверхность оконцева-

теля и обеспечивает электрический контакт колонки варисторов с

оконцевателем и далее – с заземляемым электродом (см. рис.3.2).

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Рис.3.2 Схема конструкции одномодульного ОПН

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 134

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Опорная шайба земляного конца колонки варисторов соединя-

ется с контактным выводом с изоляционной оболочкой, проходящим

через центральное отверстие в оконцевателе. Изолированный от окон-

цевателя вывод дает возможность измерения тока через колонку вари-

сторов в процессе эксплуатации. В случае опорного исполнения ОПН

для организации выхода кабеля из под нижнего фланца последний кре-

пится к заземленному основанию болтами с надетыми на них втулками

высотой около 50 мм. В подвесном варианте проблем с выводом изме-

рительного кабеля нет.

После сборки и проверки характеристик колонки варисторов

производится заливка внутренней полости ОПН герметиком под ва-

куумом. Герметик должен быть достаточно эластичным, чтобы при

всех температурных изменениях не произошло его отслоения от внут-

ренней поверхности стеклопластикового корпуса и от поверхности

варисторов.

Другое очень существенное требование к герметику – малый

его объем, чтобы при изменениях температуры герметика не создались

большие механические напряжения в стеклопластиковом цилиндре. В

конструкции ОПН ЦЭЗА толщина слоя герметика между варисторами

и стеклопластиковым цилиндром составляет 2 – 2,5 мм.

В процессе эксплуатации ОПН возможно повреждение вари-

сторов, хотя этот случай можно отнести к весьма редким. При разру-

шении варисторов возникает электрическая дуга, которая вызывает

быстрое повышение температуры внутри ОПН до нескольких тысяч

градусов и, соответственно, к резкому повышению давления внутри

ОПН. Для сброса этого давления в стеклопластиковых цилиндрах пре-

дусмотрены круглые отверстия, заполненные в процессе напрессовы-

вания резины резиновыми пробками. Повышение давления герметика

приводит к выдавливанию этих пробок, образованию отверстий, через

которые сбрасывается избыточное давление без разрушения корпуса

ОПН.

При увеличении класса напряжения ОПН его высота увеличи-

вается, что приводит к значительному усложнению монтажа изделий.

В этом случае целесообразно перейти к модульному принципу испол-

нения ОПНп, как это делают практически все изготовители ОПНп, ко-

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 135

гда ОПНп состоит из двух или нескольких модулей в зависимости от

класса напряжения.

При этом возникает новая проблема – возможности проникно-

вения токов утечки по поверхности покрышек ОПН в колонку вари-

сторов. При соединении обоих концов колонки варисторов с металли-

ческими оконцевателями (фланцами) проникновение поверхностных

токов утечки в колонку варисторов возможно по следующей причине.

Предположим, что ОПНп состоит из одинаковых модулей (например,

ОПНп-220, состоящий из двух модулей высотой по 1 м, см. рис3.3).

Рис 3.3. ОПНп-220/550 опорного исполнения

В этом случае по поверхности ОПНп протекает ток

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 136

уд

эп

р.н.ф

⋅⋅

=⋅==

γπ

(3.8)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

где

эп

γπ

⋅

- сопротивление увлажненной поверхности покрыш-

ки, L – длина пути тока утечки,

- удельная поверхностная проводи-

мость, d

– эквивалентный диаметр ребристой поверхности

покрышки,L

уд

– нормированная удельная длина пути тока утечки, от-

несенная к наибольшему линейному напряжению сети (см. табл. 3.9)

кВсмULL

рнуд

. (3.9)

Таблица 3.9

Степень за-

грязнения

атмосферы

I II III IV

слабая средняя сильная очень силь-

ная

Удельная

длина пути

тока утечки,

см на 1 кВ

линейного

напряжения

1,6 2,0 2,5 3,1

=5 мкСм; d

=0,1 м ; L

уд

=2,5 см/кВ получаем Например, при

мА,

136

352

1010105

⋅⋅⋅⋅π

−

Такой ток утечки приводит к быстрой подсушке увлажненной

покрышки ОПН. Причем случайно происходит подсушка кольцевой

зоны в одном из межреберных промежутков покрышки одного из мо-

дулей ОПН. При этом сопротивление поверхности этой покрышки

многократно возрастает, что определяет возможность принять его рав-

ным бесконечности (разрыв тока). Тогда полное сопротивление обра-

зовавшейся цепи с параллельным соединением сопротивлений колонок

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 137

ОПН R

и увлажненной поверхности покрышек R

n-1 модуля и только

сопротивления колонки ОПН R

одного модуля с подсушенной зоной

(см. рис.3.4)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

а) б)

у у

к к

у у

к к

у у

к к

у у

Рис 3.4. Эквивалентная схема n-модульного ОПН при наличии элек-

трических контактов колонки варисторов с фланцами: а – при от-

сутствии подсушенной кольцевой зоны; б – при наличии подсушенной

кольцевой зоны.

() ()

()

103

111

nRR

RnRR

nRR

ук

уук

ук

−++

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+=

Следовательно, ток по колонке варисторов модуля с подсу-

шенной зоной будет равен

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 138

()

113

.к

⋅=

.к

где U

– напряжение на одном модуле,

- ток через колонку

варисторов при отсутствии утечки по поверхности покрышек. Как вид-

но, при увеличении числа одинаковых модулей ток через колонку уве-

личивается, причем это увеличение зависит от отношения

(см.

табл.3.10)

Таблица 3.10

к.о

2 3 4 5 6 7 8

0,2 1,71 2,26 2,67 3,0 3,27 3,69 4

0,10 1,83 2,56 3,14 3,7 4,12 4,89 5,5

0,05 1,91 2,76 3,50 4,2 4,84 6,0 7,0

0,025 1,95 2,89 3,73 4,55 5,34 6,83 8,2

0,01 1,98 2,97 3,88 4,81 5,72 7,48 9,2

Из приведенных данных следует, что ток через варисторы под

влиянием процессов на поверхности покрышек при наличии соедине-

ний фланцев с колонками может многократно увеличиваться, нарушая

тепловой баланс в модуле, вызывая перегрев колонок и ускоренную

деградацию варисторов. Это обстоятельство является одной из причин

преждевременного повреждения варисторов в эксплуатации. И чем

более загрязнена атмосфера в районе установки ОПН, тем более опас-

ны для него условия эксплуатации. Они усложняются также при уве-

личении количества последовательных модулей.

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 139

Следует заметить, что приведенная оценка дает предельное

значение степени увеличения тока через колонку при образовании под-

сушенной зоны, поскольку сопротивление этой зоны нарастает посте-

пенно по мере ее подсушки, а в полностью высохшем состоянии суще-

ствовать не может, поскольку все напряжение оказывается приложен-

ным к этой зоне и ее перекрытие с образованием частичной дужки не-

избежно.

Надо учесть также возможность образования подсушенных

кольцевых зон на других модулях. В этом случае степень увеличения

тока через колонку значительно снизится. Возможность одновременно-

го образования подсушенных зон на других модулях резко ограничена

по причине резкого уменьшения тока утечки по увлажненной поверх-

ности покрышек при образовании одной подсушенной зоны. Действи-

тельно, в этом случае ток утечки по поверхности покрышек ограничи-

вается током через колонку модуля с подсохшей кольцевой зоной (см.

формулу (3.11)). Падение напряжения на колонке этого модуля

. Следовательно, напряжение на остальных модулях

ккк

RIU =Δ

(

)

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85

()

).(.

nRR

RRnRR

nRR

RRn

UnURIUU

ук

укук

ук

ккфn

123

001

−

−−+

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−=

−=−=

−

()

Тогда ток утечки по поверхности остальных модулей

nRR

ук

уку

n.у

−

(3.13)

Отношение этого тока к току утечки по неподсушенной поверхности

покрышек

nRR

ук

n.у

−

(3.14)

Александров Г.Н. Ограничение перенапряжений в электрических сетях. 140

Результаты вычислений по формуле (3.14) приведены в табл. 3.11.

Как видно, при образовании подсушенной зоны на покрышке одного

модуля ток утечки по поверхности остальных покрышек уменьшается

в несколько раз и тем больше, чем больше степень загрязнения атмо-

сферы. Уменьшение тока утечки приводит к уменьшению тепловыде-

ления на поверхности покрышек и соответственно затрудняет образо-

вание подсушенных зон на других модулях.

Таблица 3.11

уnу

1. −

2 3 4 5 6 8 10

0,2 0,286 0,375 0,444 0,5 0,545 0,615 0,67

0,1 0,167 0,231 0,286 0,33 0,375 0,444 0,5

0,05 0,091 0,130 0,167 0,20 0,231 0,286 0,333

0,025 0,048 0,07 0,091 0,11 0,13 0,167 0,20

0,01 0,020 0,03 0,038 0,048 0,056 0,074 0,091

Необходимо отметить, что при увеличении количества моду-

лей ОПН снижение токов утечки по поверхности покрышек после об-

разования первой подсушенной зоны уменьшается. Тем не менее, оно

достаточно велико, чтобы затормозить образование подсушенных зон

на других модулях до перекрытия первой подсушенной зоны.

В связи с изложенным в конструкции ОПНп ЦЭЗА колонка

варисторов надежно изолирована от промежуточных фланцев модулей,

а соединения колонок соседних модулей осуществляется с помощью

розеточных контактов (см. рис.3.5).

Поэтому токи утечки на поверхности покрышек не могут про-

никать в колонки варисторов и соответственно ускорять их деграда-

цию.

Все остальные производители ОПН до настоящего времени не

обеспечивают изоляцию колонок варисторов относительно промежу-

точных фланцев и тем самым не предохраняют варисторы от проник-

новения поверхностных токов утечки. Для обеспечения необходимой

надежности работы ОПН они вынуждены увеличивать высоту колонок

Центр подготовки кадров энергетики www.cpk-energo.ru

Санкт-Петербург (812) 556-91-85