2014-02-02
1399
СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Задание на самостоятельную работу.
5. Построить векторные диаграммы напряжений для трехфазной сети с изолированной нейтралью в симметричном режиме и в режиме ОЗЗ.
6. Построить векторные диаграммы напряжений для трехфазной сети с заземленной нейтралью в симметричном режиме и в режиме однофазного короткого замыкания.
7. На построенных диаграммах показать векторы напряжений на здоровых фазах в несимметричных режимах.
8. Доказать, что при изолированной нейтрали в сети необходимо иметь более высокий уровень изоляции для ее надежной координации с уровнями возможных перенапряжений.
9.1. Система защиты от перенапряжений:
1. Ограничение перенапряжений;
2. Исключение возможности перенапряжений:
2.1. Схемные мероприятия (в том числе сопротивление в нейтрали);
2.2. Оперативные мероприятия.
Возможно исключить коммутационные мероприятия при плановых коммутациях и АПВ.
Рассмотрим основные средства ограничения перенапряжений:
А) Защитные аппараты (ПЗ, РТ, РВ, ОПН)
Принцип действия – отвести в землю энергию перенапряжений.
Б) Применение резисторов.
Благодаря способам А мы можем ограничить грозовые, аварийные коммутационные перенапряжения (в том числе дуговые), а способы Б ограничивают резонансные перенапряжения.
В) Выключатели 2-х ступенчатого действия.
Существует способ защиты от перенапряжения управление моментом коммутации выключателя (при этом свободные колебания могут быть исключены), отслеживание угла сдвига между I и U, скорости дионизации среды. Для этого должна быть очень точная механика, как самого выключателя, так и его привода.
Мероприятия 2 ограничены регламентом, схема должна оставаться функциональной. Применение резисторов тоже не всегда возможно. Для глубокого ограничения перенапряжений (грозовых и коммутационных) используют коммутационные аппараты (ОПН).
| Р.Н.Н. |
| М.Н. ОПН |
| К.П. |
| Г.П. |
| 104 |
| 100 |
| 10-4 |
| 10-6 |
| I, А |
| U, кВ |
Рис.9.1 Вольтамперная характеристика ОПН
| С |
| Rв |
| Rz |
| Rn |
| L |
| С |
| Rz |
| L |
| С |
| Rn |
| L |
| R |
| L |
1. 2. 3. 4.
Рис. 9.2. Схемы замещения ОПН при разных значениях I для различных участков вольтамперной характеристики
Для разных участков характеристики схема замещения ОПН разная: для участка 1 на рис. 9.2 – 1, участка 2 – схема 2, участка 3 – схема 3, участка 4 – схема 4.
Ток, протекающий в ОПН имеет емкостно-омический характер, R обусловлено неизменной во всей области воздействующих напряжений проводимостью, определяемой температурой отрезка, Rn обусловлено проводимостью и определяющее ВАХ всего резистора в области рабочих напряжений и перенапряжений, Rв определяется объемным сопротивлением гранул оксида цинка и представляет собой проводимость нелинейного резистора при больших значениях тока, L следует учитывать в режимах быстрорастущих больших импульсных токов.
| +U |
| I |
| –U |
| ZnO 10-3 мм |
Рис. 9.3. Примерная структура Рис. 9.4. Зависимость I = f (U) для
материала варистора ОПН материала варистора ОПН
Оксид цинка составляет 90% всей керамики варистора, между зернами ZnO находятся окислы редкоземельных металлов: висмута, сурьмы, кобальта, марганца. Температура обжига варисторов - t0обж » 13000С.
Нелинейность и стабильность характеристики зависит от наличия и состава других материалов, кроме окиси цинка, керамики, режима обжига материалов, от температуры варистора и окружающей среды и формы, протекающего через резистор тока. В момент протекания большого тока контакт между зернами становится почти равным 0.
В ОПН существует система аварийного выхлопа, необходимая, когда объем, выделяющихся газов очень большой.
| U |
| Imax |
| t |
| i |
| Uост |
| Uостmax |
| t |
Для нелинейного резистора
первоначальное значение имеет
температурный режим,
определяющий каково равновесие
и термическая устойчивость.
a)
Рис. 9.5. Временные характеристики
нелинейных резисторов: а) i = f (t),
b) u = f (t).
Таблица 9.1
Средние значения параметров С и a оксидно-цинковых варисторов
| i, A | 10-4 | 10-3 | 10-2 | 10-1 | |||||||||
| U/U100 | 0,7 | 0,74 | 0,78 | 0,82 | 0,86 | 0,91 | 1,1 | 1,3 | |||||
| a | 0,2 | 0,03 | 0,04 | 0,06 | 0,1 | ||||||||
| C/U100 | 0,86 | 0,9 | 0,93 | 0,96 | |||||||||
U100 - остающееся напряжение на варисторе при токе 100А.
Протекание через варисторов токов, превышающих 500 А, нежелательно, поскольку в том случае резко возрастает коэффициент нелинейности.
Вольт-амперная характеристика варисторов позволяет комплектовать ОПН с улучшенными защитными характеристиками без искровых промежутков. Однако отсутствие искровых промежутков обусловливает протекание через ОПН токов 50 Гц при рабочем напряжении сети. Чрезмерная величина этих токов может привести к перегреву варисторов и выходу ОПН из строя.
Ток, протекающий через ОПН в нормальном режиме содержит емкостную и активную составляющие. При напряжениях, не превышающих 0,7 U100, преобладает емкостная составляющая тока, не вызывающая нагрева варисторов. Этому соответствует градиент напряжения 1,0 кВ/см. При больших градиентах напряжения резко возрастает нелинейная проводимость и активная составляющая тока, что приводит к существенному нагреву варисторов. Критическое значение градиента рабочего напряжения 1,0 кВ/см соответствует максимально допустимому току через варистор 1 мА, являющемуся в основном током проводимости, что подтверждается осциллограммами тока через варистор при разных напряжениях 50 Гц.
Пропускная способность ОПН и характер их повреждения зависят от амплитуды и длительности тока через них. При протекании через ОПН импульсов тока большой длительности, характерных для коммутационных воздействий, наблюдается их существенный нагрев. Амплитуда импульса, приводящего к повреждению варисторов диаметром 28 мм составляет 80-120 А, причем в результате таких воздействий происходит проплавление в варисторах сквозных отверстий, а в ряде случаев варисторы разрушаются. При коротких импульсах тока 8/20 мкс, характерных для грозовых перенапряжений, варисторы не разрушаются даже при воздействии импульсов с амплитудой до 1000-1500 А. Дальнейшее увеличение тока при таких коротких импульсах приводит к перекрытию варисторов по боковой поверхности, однако ток перекрытия может быть значительно увеличен, если покрыть боковую поверхность варисторов специальным изоляционным лаком или залить варисторы полимерным компаундом.
Таблица 9.2.
Пропускная способность оксидно-цинковых варисторов при воздействии
импульсов грозовых перенапряжений
| Образцы оксидно-цинковых варисторов (ВР) | Пропускная способность ВР на импульсах тока 8/20 мкс (20 импульсов), кА |
| ВР диаметром 28 мм | 1,2 - 1,5 |
| ВР диаметром 28 мм (боковая поверхность покрыта глифталевым лаком) | 2,2 - 2,5 |
| ВР диаметром 28 мм (залитые полимерным компаундом) | ³5 |
| ВР диаметром 60 мм | ³10 |
| ВР диаметром 60 мм (залитые полимерным компаундом) | ³25 |
В последние годы разработаны ВР увеличенного диаметра (45, 60 и 85 мм) и, соответственно большей пропускной способности.
