Ограничитель перенапряжений

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (ll) 3(511 Н 01 С 8/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

)3:3(ЬЙЬййО А

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Я р„

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3541370/24-07 (22) 11.01.83 (46) 07.06.84. Бюл. У 21 (72) Б.К. Авдеенко, A.È. Ивон, И ° М. Черненко и А.И. Щелоков (53) 621.316 ° 933(088.8) (56) 1. Шишман Д.В. и др. Вентильные разрядники высокого напряжения. Л., "Энергия", 1971, с. 154-167.

2. Патент США Ф 3805114, кл. 317-61, 1975. (54) (57) 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, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью улучшения защитных характеристик путем снижения грозового и коммутационного коэффициентов защиты и повышения его быстродействия,. 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 укаэанной цепочки выбрано из условия обеспечения минимального грозового коэффициента защиты, а емкость конденсатора цепочки, максимально допустимая мощность Р,„ потерь в цепочке, круговая частота (д переменного тока сети и падение напряжения Д на всей колонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, которая шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении

1096702

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 10 с резисторами на основе карбида кремния с показателем нелинейности Ы =

= 0,2-0,4, предназначенные для защиты от перенапряжения изоляции оборудования переменного тока (1), 15

Резисторы с таким показателем нелинейности неустойчивы в тепловом отношении в нормальном эксплуатационном режиме и поэтому в вентильных разрядниках они всегда применяются 20 с последовательно включенными искровыми промежутками, отделяющими в нормальном эксплуатационном режиме резисторы от фазных проводов (или шин). Наличие искровых промежутков ухудшает защитные свойства аппаратуры и увеличивает его габариты, вес и стоимость.

В последние годы для ограничения перенапряжений начали использовать 30 защитные устройства с нелинейными резисторами на основе оксида цинка.

У таких резисторов показатель нелинейности составляет ОС =0,02-0,04, и они могут быть включены в сеть пере- 35 менного тока без последовательных искровых промежутков.

Наиболее близким техническим ре" шением к изобретению является ограничитель перенапряжений, содержащий 40 изоляционный корпус, внутри которого установлены в колонну высоконелиней-., ные резисторы, выполненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых по- 45 верхностях (2), Такие ограничители перенапряжений характеризуются по сравнению с вентильными разрядниками лучшими защитными свойствами, меньшими габа" ритами и массой. Они нашли применение в сетях переменного тока классов напряжения 3- 750 кВ.

К недостаткам данных ограничителей перенапряжений следует отнести доста55 точно высокие значения коэффициентов защиты от коммутационных (K„=1,82) и грозовых (К„ =2,2) перенапряжений.

В ряде случаев, в особенности, для 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 длинновременных.

Разработка ограничителей перенапряжений, имеющих высокое быстродействие и коэффициенты защиты от коммутационных и грозовых перенапряжений как можно более близкие к единице, является важной задачей электротехники, направленной на повышение надежности и безопасности эксплуатации линий электропередачи и электротехнического оборудования.

Одной из причин, препятствующих снижению коэффициентов защиты является уменьшение нелинейности вольтамперной характеристики (ВАХ) оксидно цинковых резисторов в области сильных токов (I ) 1A). 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 является улучшение защитных характеристик, путем снижения грозового и коммутационного коэффициентов защиты, и повышение быстродействия ограничителя перенапряжений.

Укаэанная цель достигается тем, что в ограничителе перенапряжений, содержащем изоляционный корпус, внутри которого установлены в колонну высоконелинейные резисторы, выполненные в виде шайб из материала на основе окиси цинка с электродами на торцовых поверхностях, согласно изобретению, вся колонна резисторов или последовательно включенные группы резисторов, из которых состоит эта

3 109 колонна, шунтированы каждая дополнительно введенной цепочкой из пос/ ледовательно включенного линейного резистора и конденсатора, причем сопротивление R линейного резистора указанной цепочки выбрано из условия обеспечения минимального грозового коэффициента защиты, а емкость C конденсатора цепочки, максимально допустимая мощность Р„, потерь в цепочке, круговая частота (d переменного тока сети и падение напряжения ц на всей колонне резисторов или на каждой из ее групп резисторов, которая шунтирована указанной цепочкой, выбраны в соотношении

C+R

<д. U

На фиг. 1 представлена принципиальная схема ограничителя перена20 пряжений с включением RC -цепочки параллельно всей колонне резисторов, на фиг. 2 — вариант выполнения ограничителя перенапряжений с подключени25 ем RC -цепочек параллельно соответствующим группам колонны резисторов; на фиг. 3 — осцилограммы а и 5 напряжения U и тока l для одиночного высоконелинейного оксидно-цинкового резистора; на фиг. 4 — вольтамперные характеристики (BAX) нелинейного оксидно-цинкового резистора при воздействии импульсов перенапряжения длительности 1 (кривая В ) и длитель" ность о (кривая Г ); на фиг. 5 — кри-З5 вые зависимостей коэффициента защиты

К от длительности ь воздействующего импульса перенапряжения при отсутствии RC -цепочки (кривая д ) и при наличии КС -цепочки (кривая а ); íà 40 фиг. 6 — кривые с и зависимостей соответственно грозового К и коммутационного К коэффициентов защиты от сопротивления цепочки нормированного к сопротивлению, 4> ограничителя при грозовом перенапряжении при фиксированном значении емкости конденсатора С,РС -цепочки равном С = 0,5 мкф; на фиг. 7 — кривая зависимости Л минимальных значений

К 2 грозового коэффициента защиты К2 (фиг. 4) от емкости C конденсатора С, RC -цепочки и кривые м зависимости мощности P теряемой в С -цепочке током промышленной частоты от емкос- 5S ти конденсатора С -цепочки для различных фиксированных значений номинального напряжения сети

6702 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 ограннчителя с помощью шип 6.

Другой вариант конструкции иллюстрируется на фиг. 2. В отличие от предыдущего варианта здесь несколько компенсирующих RC -цепочек иэ конденсаторов 4 и резисторов 5 монтируются внутри фарфорового корпуса 1 .вместе с нелинейными резисторами.

Такое включение компенсирующих K -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 зависимости коэффициента защиты К от длительности импульса перенапряжения, представленной на фиг. 5 (кривая ) . Такая зависимость свидетельствует о недостаточно высоком быстродействии ограничителя перенапряжений на основе высоколинейных оксидно-цинковых резисторов.

Для уменьшения коэффициентов защиты К и увеличения быстродействия ограничителя необходимо либо исключить, либо компенсировать переходный

1096702

20 р д

Значения Кг и К„ коэффициентов заМ щиты в минимуме зависимостей(К,(К/Иг) и K (К (R z) уменьшаются с ростом емкости RC -цепочки (фиг. 7, кривая л ) .

При достаточно больших значениях можно существенно снизить коэффициент защиты. Однако, необходимо учесть тот факт, что в сетях переменного топроцесс в материале нелинейных резисТоров. Компенсацию можно осуществить, включая параллельно ограничителю перенапряжений цецочку из последовательно соединенных линейного резистора и конденсатора (RC-цепочку). Компенсирующее действие RC -цепочки иллюстрируется данными фиг. 6. Сопротивление К цепочки на фиг. 6 нормировано к сопротивлению R ограничите- 10 ля при грозовом перенапряжении:

I и,..к (1)

R2= L

2 ! где К вЂ” грозовой коэффициент защи- 15 г ты для ограничителя перенапряжений без компенсирующей КС -цепочки, IZ— ток, протекающий через ограничитель при воздействии грозового перенапряжения; 0 — номинальное напряжение сети. Например, для ограничителя напряжений на номинальное напряжение сети равное "220 кВ" I„ = 10 А, а

В2 = 34 Ом.

Кривые к и 5 зависимостей Кг(Р!Йг1 25

:иК (gj R ), представленные на фиг. 6, являются универсальными, они спра.ведливы для ограничителей на любой класс напряжения. Эти зависимости можно экспериментально снять, например, З0 на отдельном нелинейном резисторе с параллельной RC -цепочкой. В этом случае величина Рг должна соответствовать сопротивлению отдельного нелинейного резистора при воздействии

35 на ограничитель грозового перенапряжения. Как видно, кривые < и 3 (фиг. 6) зависимостей К2(К Я 2) и К„(й / R zg имеют минимум при определенной величине R R2. Минимальные значения Кg 40

+ и Кг.коэффициентов Кги Кк меньше, Ф чем соответствующие коэффициенты защиты для ограничителя без компенсирующей RC -цепочки. Ограничитель перенапряжений с компенсирующей RC -це45 почкой имеет более слабую зависимость коэффициента защиты от длительности импульса перенапряжения (фиг. 5, кривая & )„ что указывает на его более высокое быст о ействие. ка включение параллельно ограничителю

КГ -цепочки ведет к появлению дополнительных потерь, средняя мощность которых определяется соотношением

P = С) R " (2)

2(1 (и С j где (.3 — круговая частота переменного тока.

Параметры RC -цепочки, необходимые для компенсации переходного процесса в нелинейных оксидно-цинковых резисторах всегда таковы, что для промышленных частот выполняется условие(й ЙС i+ 1, что дает возможность представить выражение для средней мощности в виде: р= (ые1 ""о

2 (3) Р х -(C) ЯОо, (4) которое можно также представить в более удобном для расчетов виде

С-Д =, (5)

- 2 Рм

03 Ио

Исходными данными для выбора параметров компенсирующей RC -цепочки служит семейство зависимостей К „(й!Й Д г 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 и сети, тока при ор воздействии грозового перенапряжения

Irи коэффициента защиты К, рассчитывают по формуле (1) сопротивление

Зависимости Р от емкости С конденсатора RC -цепочки приведены для различных значений номинального напряжения Llo на фиг. 7 (кривые М ).

Мощность потерь в КС -цепочке растет при увеличении емкости С и номинального напряжения Uo в сети переменного тока. Поэтому выбор емкости С должен быть ограничен максимально допустимой для данного класса напряжений средней мощностью Рм, которая теряется в цепочке. С учетом этого емкость конденсатора С должна выбираться таким образом, чтобы обеспечивалось соотношение

109 ограничителя при грозовом перенапряжении. Затем выбирают одну из кривых семейства К, (КД, которой соответствует некоторое значение емкости С конденсатора RC -цепочки.

По минимуму этой кривой находят отношение RjRzv уножив его на найденное ранее значение сопротивления определяют сопротивление R резистора компенсирующей цепочки. Проверяют, 1р удовлетворяет ли значение емкости С конденсатора условию (5). Если удовлетворяет, то выбор параметров RC -це почки для ограничителя перенапряжений закончен. Если условие (5) нарушается, то выбирают другую кривую из семейства K>(R/R> 1, снятую при меньшем значении емкости С конденсатора

RC -цепочки. По этой кривой аналогичным образом находят величину сопро-2ц тивления К резистора, затем проверяют выполнение соотношения (5). Если вновь соотношение (5) не выполняется, то описанные операции проводят в том же порядке пока значение емкости С кС -цепочки не. будет удовлетворять соотношению (5).

Значение коэффициента защиты, которое будет иметь ограничитель перенапряжений с компенсирующей RC-це о почкой, выбранной описанным выше способом, находят по минимуму соответствующей кривой К (К1й ).

Расчет и эксперимент показывают, что выбор емкости компенсирующей

RC-цепочки для сетей переменного

35 тока на классы напряжений свыше 125 кВ ограничен сверху значениями 0,1-0,5 мкф

В пределах указанных ограничений удается снизить коэффициент защиты на 15-257, а отношение К2/Хк Hà 15Х.

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 -цепоч6702

8 ку, состоящую из конденсатора 4 и резистора 5, (на постоянном напряжении ток через R -цепочку равен нулю). На переменном напряжении ток определяется диэлектрической проницаемостью с, тангенсом угла диэлектрических потерь tg3 оксидно-цинковых резисторов и параметрами RC-цепочки. При появлении перенапряжения, благодаря высокой нелинейности резисторов 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 напряжения в материале нелинейных резисторов, тем самым увеличивая быстродействие аппарата и обеспечивая. более глубокое и эффективное ограничение перенапряжений.

После прекращения перенапряжения через ограничитель вновь протекает только ток промышленной частоты, определяемый E и 63 резисторов и паФ раметрами RC -цепочки.

Подключение параллельно колонне резисторов или параллельно каждой ее группе ЙС -цепочки, выбранной указанным выше образом, позволяет повысить быстродействие ограничителя перенапряжений, снизить коэффициенты защиты для грозовых и коммутационных перенапряжений на 19-25Х. Это позволяет существенно увеличить эффективность защиты, повысить надежность 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, уменьшить габариты и вес указанных устройств.

3096702

% - 04

In

0 о

1096702

t,юс ф

t,ис ф

cnfygC

1096702

2, 2, 1Ю

Р,8т

Составитель В, Гомзин

Техред А.Бабинед

Корректор Л.Шеньо

Редактор Л. Лосева

Заказ 3834/39 Тираж 683

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

10 10

Г

Щиг. Х

Д7

С югФ

Фиг. F