Wprowadzenie
Ograniczniki przepięć służą do ochrony urządzeń wysokiego napięcia w stacjach elektroenergetycznych, takich jak transformatory, wyłączniki i przepusty, przed skutkami wyładowań atmosferycznych i przepięć łączeniowych. Ograniczniki przepięć są instalowane blisko i równolegle do chronionego sprzętu. Ich zadaniem jest bezpieczne odprowadzenie energii przepięcia do ziemi oraz zapewnienie, że napięcie na zaciskach pozostaje na tyle niskie, aby nie uszkodzić izolacji powiązanych urządzeń.
Ograniczniki przepięć chroniące przepusty transformatora mocy
Prawie wszystkie ograniczniki przepięć stosowane w nowoczesnych systemach wysokiego napięcia są typu beziskrowego warystora metalowo-tlenkowego (MO); ten artykuł koncentruje się na tym typie.
Koordynacja izolacji i ograniczniki przepięć
Koordynacja izolacji polega na doborze wytrzymałości dielektrycznej urządzeń w odniesieniu do różnych typów przepięć, które mogą wystąpić w systemie. Ograniczniki przepięć są kluczowe dla ekonomicznej koordynacji izolacji w systemach elektroenergetycznych. Ilustruje to poniższy rysunek, gdzie w przypadku braku urządzeń ochrony przepięciowej, sprzęt nie jest w stanie wytrzymać wysokich naprężeń dielektrycznych wynikających z przepięć atmosferycznych i łączeniowych. W tym kontekście ograniczniki przepięć odgrywają swoją rolę, utrzymując napięcie poniżej napięcia wytrzymałościowego (najwyższego napięcia, które można zastosować do elementu bez jego uszkodzenia) urządzeń, z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa. Z drugiej strony, ograniczniki przepięć nie mogą ograniczać oscylacyjnych przepięć częstotliwości mocy przejściowych przepięć (TOV) i muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać takie przejściowe przepięcia, wraz z maksymalnym napięciem roboczym systemu, bez uszkodzenia.
Rola ograniczników przepięć w koordynacji izolacji systemu elektroenergetycznego
Warto zauważyć, że TOV w systemie elektroenergetycznym są ograniczane za pomocą przełączanej kompensacji biernej (takiej jak dławik bocznikowy), lub poprzez zastosowanie elastycznych urządzeń przesyłu prądu przemiennego (FACT), takich jak SVC i STATCOM).
Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasze kursy wideo z inżynierii! Każdy kurs zawiera quiz, podręcznik, a po ukończeniu kursu otrzymasz certyfikat. Miłej nauki!
Konstrukcja i główne komponenty
Serce ogranicznika przepięć stanowi kolumna warystorów MO, która jest jego aktywną częścią. Kolumna składa się z bloków warystorów MO ułożonych jeden na drugim. Bloki te są wykonane z tlenku cynku (ZnO) i innych proszków metalicznych zmieszanych razem, a następnie sprasowanych w cylindryczne dyski. Średnica każdego dysku determinuje zdolność ogranicznika przepięć do obsługi energii. Średnica 100 mm (3,9 cala) lub więcej jest zazwyczaj wymagana dla systemów wysokiego napięcia.
Wymagana zdolność wytrzymałościowa TOV (określana przez napięcie znamionowe ogranicznika), wraz z pożądanymi poziomami ochrony przed przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi kontroluje całkowitą wysokość kolumny warystorów MO. W większości przypadków jednak obudowa porcelanowa ogranicznika przepięć jest zaprojektowana tak, aby była znacznie dłuższa z powodów dielektrycznych (prześwit i odległość upływu) i nie jest kontrolowana przez wysokość aktywnej części. W rezultacie kolumna warystorów MO jest instalowana w obudowie jednostki ogranicznika przy pomocy dystansów metalowych. Dystanse składają się z aluminiowych rur z pokrywami końcowymi, aby równomiernie rozłożyć nacisk kontaktowy.
Kilka prętów wsporczych i płyt mocujących wykonanych z tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem szklanym (FRP) otacza kolumnę warystorów MO w formie klatki; klatka mechanicznie zabezpiecza wewnętrzną aktywną część. Na górnym końcu ogranicznika, sprężyna kompresyjna zapewnia niezbędny nacisk osiowy do ściśnięcia stosu warystorów MO. Kołnierze są cementowane na obu końcach obudowy porcelanowej ogranicznika; kołnierze są zazwyczaj wykonane z aluminium i zamykają układ uszczelniający.
W systemach wysokiego napięcia, zamiast bezpośredniego uziemienia ograniczników przepięć, urządzenia monitorujące są podłączane szeregowo z ogranicznikiem. W takich przypadkach dolny kołnierz ogranicznika przepięć jest instalowany z izolacyjnymi stopami i połączenie uziemiające (połączenie ziemne) jest realizowane przez urządzenie monitorujące.
Przekrój poprzeczny ogranicznika przepięć z obudową porcelanową MO
Układ uszczelniający jest jednym z najważniejszych komponentów ogranicznika przepięć. Po pierwsze, powinien zapobiegać przedostawaniu się wilgoci i zanieczyszczeń do obudowy ogranicznika przepięć. Po drugie, powinien działać jako szybko działające urządzenie do odciążania ciśnienia (PRD) w przypadku przeciążenia ogranicznika, co może prowadzić do szybkiego nagromadzenia ciśnienia wewnątrz obudowy ogranicznika przepięć. Wreszcie, powinien zapewniać dobrze ustalony punkt kontaktowy do przekazywania prądu z zewnętrznego zacisku połączeniowego ogranicznika przepięć do kolumny warystorów MO.
Układ uszczelniający ogranicznika przepięć składa się z syntetycznego pierścienia uszczelniającego i membrany odciążającej, które są instalowane dwukrotnie na obu końcach korpusu ogranicznika przepięć. Bardzo cienka membrana (zaledwie kilka dziesiątych milimetra grubości lub tysięcznych cala) jest wykonana z niklu lub stali wysokiej jakości. Membrana jest dociskana do pierścienia uszczelniającego za pomocą pierścienia zaciskowego przykręconego do korpusu kołnierza.
W przypadku przeciążenia ogranicznika, wewnątrz obudowy rozwija się łuk między dwoma kołnierzami. Energia cieplna tego łuku (który przenosi pełny prąd zwarciowy sieci) prowadzi do szybkiego wzrostu ciśnienia wewnątrz ogranicznika przepięć. Powstałe ciśnienie jest odciążane przez membranę odciążającą, co zapobiega katastrofalnej awarii ogranicznika i możliwym uszkodzeniom otoczenia. Gorące gazy, które powstają wewnątrz obudowy ogranicznika z powodu przeciążenia, są kierowane przez dowolne z dwóch otworów wentylacyjnych. Poza ogranicznikiem przepięć strumienie gazu spotykają się, powodując, że łuk, który palił się wewnątrz obudowy, przesuwa się (komutuje) i kontynuuje palenie się na zewnątrz ogranicznika, aż do usunięcia usterki.
Przy wyższych napięciach, ze względu na wymagania izolacyjne i ekonomię produkcji, kompletny ogranicznik przepięć składa się z kilku jednostek ograniczników połączonych szeregowo. Ponadto, na zacisku wysokiego napięcia instalowany jest pierścień wyrównawczy, aby kontrolować rozkład napięcia od końca wysokiego napięcia do ziemi.
Wielojednostkowy ogranicznik przepięć wysokiego napięcia
Monitorowanie stanu ogranicznika przepięć
Nowoczesne ograniczniki przepięć MO są wysoce niezawodnymi urządzeniami, gdy są prawidłowo skonfigurowane. Można oczekiwać, że będą miały niemal bezobsługową żywotność wynoszącą 30 lat lub więcej. Niemniej jednak, biorąc pod uwagę wysokie koszty sprzętu, który ograniczniki przepięć chronią, oraz szkodliwe skutki przeciążeń ogranicznika, istnieje dobry powód, aby monitorować stan ograniczników przepięć.
Przy normalnym napięciu roboczym ograniczniki przepięć wykazują wysoką impedancję, dzięki czemu działają jako izolator przez większość swojego okresu eksploatacji. Takie zachowanie jest konieczne, aby zapewnić długą żywotność ogranicznika, a także stabilność związanego z nim systemu elektrycznego. Dlatego konieczne jest wykrycie wszelkiego pogorszenia właściwości izolacyjnych ogranicznika przepięć, zanim sytuacja stanie się krytyczna. Dwa typy urządzeń monitorujących powszechnie stosowane dla ograniczników wysokiego napięcia MO to:
- Licznik przepięć, który rejestruje liczbę impulsów przepięciowych.
- Monitory prądu upływu, które mierzą prąd upływu płynący przez ogranicznik.
Podstawową zasadą używania liczników przepięć jest identyfikacja, czy dana linia przesyłowa lub faza systemu doświadcza niezwykle dużej liczby przepięć prowadzących do działania ogranicznika. Ponadto, nagły wzrost liczby przepięć może również wskazywać na wewnętrzną usterkę ogranicznika. Jednak same liczniki przepięć ujawniają tylko częściowe informacje o monitorowaniu stanu. Większość urządzeń monitorujących ograniczniki przepięć rejestruje liczbę (licznik) impulsów przepięciowych, jednocześnie mierząc wszelkie prądy upływu. Prąd upływu dostarcza dodatkowych informacji o wielkości wszelkich przepięć i jego znaczeniu w przypadku wystąpienia zdarzenia przepięcia systemowego. Używanie liczników przepięć i urządzeń do pomiaru prądu upływu w połączeniu ze sobą pozwala na bardziej elastyczne monitorowanie i diagnozowanie stanu ogranicznika.
Charakterystyki pracy
Charakterystyka napięcie-prąd (V-I) ilustruje, jak zmienia się opór ogranicznika przepięć w zależności od napięcia, a także dostarcza wglądu w jego działanie. Wysoce nieliniowe charakterystyki V-I warystora MO czynią go odpowiednim kandydatem do zastosowań ochrony przed przepięciami. Warystor to zasadniczo zmienny rezystor, którego opór zależy odwrotnie od przyłożonego napięcia, tj. im większe napięcie, tym mniejszy opór. Poniższy obraz pokazuje typowe charakterystyki ogranicznika przepięć MO o napięciu znamionowym 420 kV zastosowanego w systemie o napięciu znamionowym 550 kV (fazowo-fazowym).
Charakterystyki pracy ogranicznika przepięć o napięciu znamionowym 420 kVrms
Aby lepiej zrozumieć charakterystyki pracy ogranicznika przepięć, potrzebne są definicje niektórych ważnych terminów i parametrów:
Maksymalne napięcie systemowe (Us)
Najwyższe napięcie fazowo-fazowe o częstotliwości zasilania określone dla danego systemu w normalnych warunkach.
Ciągłe napięcie robocze (Uc)
Maksymalne dopuszczalne napięcie o częstotliwości zasilania, które można przyłożyć do zacisków ogranicznika przez ciągły lub nieokreślony czas; czasami jest to również oznaczane jako MCOV. W praktyce ciągłe napięcie robocze (Uc) ogranicznika jest ustawiane na wartość większą niż najwyższe napięcie systemowe fazowo-ziemne z marginesem co najmniej pięciu procent.
Napięcie znamionowe (Ur)
Maksymalne napięcie o częstotliwości zasilania, które ogranicznik przepięć musi wytrzymać przez określony krótki czas (np. 10 lub 100 sekund). Charakteryzuje zdolność ogranicznika do wytrzymywania TOV systemu. Gdy ogranicznik przepięć jest obciążony do i poza swoje napięcie znamionowe (Ur), prąd upływu będzie płynął. Prąd upływu jest definiowany jako niezamierzony przepływ prądu do ziemi. Ta sytuacja nie jest pożądana, ponieważ gdy płynie prąd upływu, następuje proporcjonalny wzrost temperatury roboczej ogranicznika. Jeśli ten stan będzie się utrzymywał poza określony krótki czas, temperatura ogranicznika wzrośnie, aż stanie się termicznie niestabilna, co może ostatecznie doprowadzić do awarii ogranicznika.
Poziom ochrony przed impulsami łączeniowymi (SIPL)
Szczytowa wartość napięcia resztkowego na zaciskach ogranicznika przepięć przy nominalnym wyładowaniu impulsu prądowego o kształcie fali 30/60 µs i szczytowej wartości 2 kA (w przypadku systemów bardzo wysokiego napięcia).
Poziom ochrony przed impulsami atmosferycznymi (LIPL)
Szczytowa wartość napięcia resztkowego na zaciskach ogranicznika przepięć przy nominalnym wyładowaniu impulsu prądowego o kształcie fali 8/20 µs i szczytowej wartości 20 kA.
Wybór i konfiguracja ograniczników przepięć
Ogólna filozofia przy wyborze ograniczników przepięć dla danego systemu polega na dopasowaniu elektrycznych i mechanicznych charakterystyk ogranicznika do wymagań elektrycznych i mechanicznych systemu. Poniższy uproszczony schemat blokowy przedstawia ogólną metodę i procedurę konfiguracji ogranicznika MO.
Uproszczony schemat wyboru ograniczników przepięć
Wymagania dotyczące optymalnego i zadowalającego wyboru ograniczników przepięć nakazują, aby ograniczniki zapewniały odpowiedni margines ochrony i były odpowiednie do stabilnej ciągłej pracy. „Odpowiedni margines ochrony” oznacza, że przepięcia urządzenia są zawsze poniżej jego napięcia wytrzymałościowego, z wystarczającym współczynnikiem bezpieczeństwa (marginesem bezpieczeństwa). Natomiast „stabilna ciągła praca” odnosi się do zdolności ogranicznika do radzenia sobie ze wszystkimi długoterminowymi, przejściowymi lub chwilowymi naprężeniami (które mogą być spowodowane działaniem systemu), pozostając jednocześnie elektrycznie i termicznie stabilnym przez cały okres użytkowania.
Niestety, zarówno odpowiedni margines ochrony, jak i stabilna ciągła praca nie mogą być spełnione niezależnie. Zmniejszenie poziomu ochrony ogranicznika (w celu zapewnienia większego marginesu ochrony) nieuchronnie prowadzi do wyższych naprężeń elektrycznych podczas ciągłej pracy. Ponadto, napięcie znamionowe ogranicznika nie może być dowolnie zwiększane bez podnoszenia jego poziomu ochrony (co skutkuje odpowiednim zmniejszeniem marginesu ochrony). Dlatego konieczny jest kompromis, gdzie oba wymagania są zrównoważone, aby osiągnąć optymalne rozwiązanie.