История электротехники

Ограничение коммутационных перенапряжений (свободная составляющая) осуществляется с помощью применения ОПН или коммутационных РВ, выключателей с предвключенными сопротивлениями, управления фазой замыкания контактов выключателя. Вынос электромагнитных трансформаторов напряжения на линию (без реакторов) уменьшает вероятность повторных зажиганий дуги в выключателях, что способствует снижению перенапряжений при отключении ненагруженных линий и АПВ.

Коронный разряд на проводах воздушных линий электропередачи оказывает значительное влияние на развитие перенапряжений. В квазистационарных условиях (линейный резонанс) при коронировании проводов увеличивается емкость линии, вследствие чего сокращается ее волновая длина и максимум перенапряжения смещается в сторону длин, меньших четверти длины волны (1500 км). Одновременно вследствие потерь энергии на коронирование существенно уменьшаются перенапряжения.

Потери энергии при импульсной короне способствуют снижению крутизны фронта импульсов грозовых перенапряжений, набегающих по линии на подстанцию, и, как уже отмечалось, уменьшают риск повреждения электрооборудования.

Изучение коронного разряда на проводах воздушных линий началось в первые десятилетия XX в. Американским исследователем Ф.В. Пиком были впервые предложены формулы для расчетов начальных напряжений коронного разряда, характеристик зажигания короны, потерь энергии на корону. Как уже указывалось в § 5.3, в 1910 г. В.Ф. Миткевичем была выдвинута идея расщепления проводов фаз для подавления коронного разряда на линиях электропередачи, намного опережавшая потребности электротехники того времени. Идея эта была реализована четыре десятилетия спустя на линиях СВН и получила признание во всем мире.

Значительный вклад в теорию коронного разряда и решение практических проблем, связанных с коронированием проводов воздушных линий переменного и постоянного напряжения, внес В.И. Попков [5.23].

В результате исследований, проведенных на линиях электропередачи и опытных пролетах, разработаны и успешно применяются при проектировании электропередач методы расчета потерь энергии на корону, акустических и радиопомех. Характеристики коронного разряда учитываются при расчетах квазистационарных перенапряжений, а также при определении деформации и затухания грозовых импульсов.

5.4.2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Габариты, стоимость и надежность высоковольтного электрооборудования в линиях электропередачи в значительной степени зависят от уровня изоляции, который устанавливается и контролируется испытательными напряжениями в соответствии с ГОСТ 1516.1–76. При выборе испытательных напряжений исходят из того, что высоковольтные аппараты, находясь неограниченно долго под наибольшим рабочим напряжением промышленной частоты, должны выдерживать ограниченные по времени воздействия повышенных напряжений промышленной частоты и воздействия импульсных перенапряжений (коммутационных длительностью порядка нескольких миллисекунд и грозовых длительностью порядка 10–100 мкс).

Ограничение уровня возможных грозовых и коммутационных перенапряжений возлагается на разрядники, являющиеся основополагающими аппаратами, определяющими уровень ограничения перенапряжений, а соответственно и выбор уровней изоляции электрооборудования, т.е. обеспечения координации изоляции.

Первоначально разрядником являлся искровой промежуток с пробивным напряжением ниже, чем уровень изоляции защищаемого оборудования. Его пробой требовал отключения короткого замыкания.

Для защиты от грозовых перенапряжений изоляции линейных подходов к подстанциям, участков пересечения линий различного номинального напряжения, а также для защиты электрооборудования маломощных подстанций напряжением 3–10 кВ применяются трубчатые разрядники, выполняемые на напряжения до 220 кВ. Пробой искровых промежутков трубчатого разрядника при грозовых перенапряжениях сопровождается прохождением тока промышленной частоты, который гасится автоматически самим аппаратом, и отключение линии не требуется [5.24; 5.25].

Следующий этап — это вентильный разрядник, в котором многократный искровой промежуток включался с последовательным нелинейным резистором в виде отдельных последовательных дисков, изготовленных на базе карбида кремния (SiC) с высокотемпературным обжигом в среде водорода (тирит).

Напряжение на этом резисторе (остающееся напряжение) при импульсе тока 5–10 кА (8/ 20 мкс) принимается равным импульсному пробивному напряжению искрового промежутка, что и определяет уровень ограничения перенапряжения.

В 40-х годах на базе исследований ВЭИ был разработан многократный искровой промежуток, дугогасящая способность и стабильность пробивного напряжения которого при предразрядных временах от 0,1 мкс до воздействия напряжения промышленной частоты обеспечивались оригинальной конструкцией единичного искрового промежутка (ИП) и шунтировкой многократного ИП нелинейным резистором.

Для рабочего последовательного нелинейного резистора была разработана новая безобжиговая технология изготовления дисков (вилит). За разработку и внедрение в серийное производство отечественных вилитовых вентильных разрядников серии РВС на напряжение до 220 кВ коллективу ВЭИ и ленинградского завода «Пролетарий» (Л.И. Иванов, В.И. Пружинина, В.П. Савельев, П.С. Бловман и др.) присвоено звание лауреатов Государственной премии [5.26].

Дальнейшее совершенствование вентильных разрядников в направлении улучшения их защитного действия в мировой и отечественной практике проводилось путем повышения дугогасящей способности ИП, что обеспечивало возможность увеличения сопровождающего тока, и путем увеличения пропускной способности ИП и рабочего сопротивления (в основном увеличением диаметра дисков), а также улучшения нелинейности.

^{Рис. 5.9. Схемы аппаратов для защиты от перенапряжений, характеризующие этапы их совершенствования}

^{1 — координирующий искровой промежуток; 2 — вентильный разрядник типа РВС; 3 — магнитно-вентильный разрядник типа РВМГ; 4 — магнитно-вентильный комбинированный разрядник типа РВМК; 5 — безыскровый разрядник — ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН)} 

В ВЭИ в 60-е годы были исследованы принципы магнитного вращения и гашения дуги сопровождающего тока и разработаны конструкции отечественных магнитных искровых промежутков, защищенные авторскими свидетельствами. На базе этих искровых промежутков и вилитовых дисков увеличенного диаметра была разработана серия магнитно-вентильных разрядников РВМГ на напряжение до 500 кВ, которые изготавливались ленинградским заводом «Пролетарий». Проектирование дальних ЛЭП СВН выявило необходимость ограничения коммутационных перенапряжений на концах линии при возможных коммутациях, что приводило к тяжелым по амплитудам и длительности воздействиям на вентильные разрядники. Это обусловило разработку новой серии магнитно-вентильных разрядников типа РВМК, не имеющей аналогов за рубежом.

В этой серии (рис. 5.9) коммутационные перенапряжения воздействуют на полное рабочее сопротивление, а при грозовых перенапряжениях с большими амплитудами импульсных токов часть рабочего сопротивления шунтируется ИП для снижения грозозащитного уровня.

Разработка и внедрение отечественных магнитно-вентильных разрядников серий РВМГ и РВМК, защищенных авторскими свидетельствами, позволили поднять номинальное напряжение ЛЭП с 400 до 500 кВ без изменения уровней изоляции всего комплекса электрооборудования, что было отмечено Ленинской премией в 1970 г. (А.А. Акопян, А.В. Панов и др.).

Серия РВМК, специально предназначенная для ограничения как грозовых, так и тяжелых режимов внутренних перенапряжений, способствовала созданию в России и СНГ ЛЭП с номинальными напряжениями 330, 500, 750 и 1150 кВ. Характеристики вентильных разрядников серий РВС, РВМГ и РВМК закреплены ГОСТ 16357–83, и до настоящего времени эти вентильные разрядники обеспечивают координацию изоляции подстанций СВН России, СНГ и также ряда стран дальнего зарубежья.

Разработка высоконелинейных резисторов на базе оксида цинка ZnO послужила основой создания разрядника без искровых промежутков, именуемого в отечественной практике ограничителем перенапряжений нелинейным (ОПН). Высокая нелинейность позволяет оставлять его включенным при наибольшем допустимом напряжении неограниченно долго. При этом уровень ограничения перенапряжений определяется только его вольт-амперной характеристикой (ВАХ), охватывая и область возможных коммутационных перенапряжений с меньшими амплитудами токов.