Разработка и применение разрядников линии электропередачи

Как и в таких местах, как Япония, где молния является причиной более 50% отказов энергосистемы, большая часть всех отключений линий электропередачи в Китае происходит из-за удара молнии.Например, эксплуатационные данные для линий 500 кВ в пяти провинциях Южной энергосистемы Китая показали, что из 62 отключений, зарегистрированных в течение одного года, 87% были связаны с молнией.Более того, средняя частота аварийных отключений в этой сети электропередач за последние пять лет составила около 62% всех аварийных отключений.

К счастью, с 1980-х годов разрабатываются полимерные разрядники на основе оксида цинка, и в настоящее время они все чаще используются на линиях электропередачи.Наряду с изоляторами они обеспечивают превосходные характеристики с точки зрения ограничения таких перенапряжений и улучшения грозовых характеристик линий электропередачи.Этот отредактированный предыдущий вклад в INMR профессора Х. Э. Цзиньляна с кафедры электротехники Университета Цинхуа в Пекине предлагает точку зрения Китая на ключевые вопросы молниезащиты с использованием разрядников для линий электропередачи.

Ограничители перенапряжения серии Gap Design Line

Расчет последовательного зазора в линейном ОПН включает в себя выбор структуры зазора, а также определение длины зазора, которая напрямую определяет характеристики защиты.Зазор между двумя электродами разрядника должен оставаться практически неизменным под действием всех внешних сил, таких как ветер или качание проводника.Это необходимо для того, чтобы напряжение разряда на последовательном промежутке оставалось стабильным и имело небольшую дисперсию.

Были разработаны два различных типа структур с последовательным зазором.Первый — это разделенный разрядник, разработанный в Японии, в котором два разрядных электрода изолированы только воздухом.Второй называется фиксированным или интегрированным зазором, при котором два разрядных кольца фиксируются с помощью составного изолятора.Это сохраняет их расстояние неизменным даже в таких условиях, как сильная ветровая нагрузка.Фиксированный зазор также означает, что разрядник и последовательный зазор собраны в единое целое, как показано на рис. 1а.Обычно композитный изолятор крепится к нижней части разрядника, а два кольцеобразных разрядных электрода крепятся к двум выводам изолятора.Преимущество этого типа последовательного зазора состоит в том, что на расстояние между двумя электродами больше не могут влиять внешние факторы.Большинство разрядников линий электропередач, используемых в Китае, используют этот тип последовательного зазора.

Рис. 1: Полимерные разрядники для линий электропередачи с последовательными зазорами (а) ОПН с фиксированным зазором;(б) разрядник с раздельным зазором.

В случае конструкции с раздельным разрядником один из разрядных электродов крепится к нижней части разрядника, а другой – к фазному проводу.Как обсуждалось, зазор, разделяющий два разрядных электрода, должен быть постоянным даже под воздействием различных внешних факторов.Чтобы это расстояние оставалось неизменным, разрядные электроды в идеале должны изготавливаться сложной дугообразной формы, как на рис. 1б.Японские линейные разрядники для 77 кВ, 275 кВ и 500 кВ используют такой последовательный разрыв.

Поскольку линейный разрядник с фиксированным зазором поддерживается композитным изолятором, рабочее напряжение промышленной частоты, прикладываемое к разряднику и фиксированному зазору в нормальных условиях эксплуатации, рассчитывается на основе их емкостей.Например, емкость фиксированного промежутка линейного ОПН 110 кВ длиной 500 мм составляет 0,4 пФ, а емкость диска ZnO диаметром 70 мм составляет 1040 пФ.В таком разряднике используется 28 дисков, а общая емкость составляет 37 пФ.

Композитный изолятор, фиксирующий последовательный разрядник, должен выдерживать практически все продолжительные рабочие напряжения.Поскольку изоляторы, используемые в Китае для разрядников с фиксированным разрядником на 110 кВ, такие же, как и для устройств на 35 кВ, потенциальные проблемы с этими изоляторами включают ухудшение характеристик из-за старения при длительном перенапряжении промышленной частоты.Таким образом, композитный изолятор может стать слабым местом полимерного линейного разрядника с конструкцией с фиксированным зазором.Тем не менее, эта конструкция может оказаться предпочтительным выбором для повышения общей стабильности работы.

Координация изоляции линейного разрядника с гирляндой изолятора для молниезащиты

Принципы, необходимые для определения правильного расстояния зазора, включают:

(a) Согласование разрядных напряжений грозового импульса между гирляндой изоляторов и линейным разрядником.Напряжение разряда 50 % изолятора должно быть на 20 % выше, чем напряжение разряда линейного разрядника.
b) линейный разрядник должен выдерживать коммутационные импульсы перенапряжения без разрядки, а последовательный разрядник должен выдерживать коммутационные импульсы в случае отказа разрядника;
(c) И наоборот, линейный разрядник должен выдерживать 1,4-кратное перенапряжение промышленной частоты в течение 1 минуты, например, 444 кВ в случае линейного разрядника перенапряжения 500 кВ.Линейный разрядник также должен иметь возможность отсекать последующий ток промышленной частоты переменного тока.

При установке линейных разрядников для молниезащиты линий электропередач защищаемые изоляторы не должны испытывать пробоев при ударах молнии.Таким образом, кривая зависимости напряжения грозового импульса от времени разрядника с последовательным разрядником и гирлянды изоляторов должна быть приблизительно параллельной, без точки пересечения.Таблица 1 иллюстрирует испытанные 50% напряжения грозового разряда изоляторов и разрядников.Напряжения 50% грозового разряда разрядника при положительном или отрицательном ударе молнии на 20% меньше, чем у композитного изолятора.Таким образом, это удовлетворяет требованиям по координации их изоляции.Напряжение 50% разряда молнии фарфорового изолятора на 18% выше, чем у разрядника при положительной молнии, когда последовательный промежуток установлен на 1800 мм.Тем не менее, принимая во внимание 3-процентное отклонение разряда и сравнивая коэффициент напряжения разряда на основе 50-процентного напряжения грозового разряда разрядника, 50-процентное напряжение грозового разряда разрядника по-прежнему удовлетворяет требованиям координации изоляции.Таким образом, если расстояние последовательного зазора линейного разрядника установлено на 1800 мм, его можно использовать как с фарфоровыми, так и с композитными изоляторами.

Таблица 1: Экспериментальные результаты грозового импульса при 50% разрядном напряжении

Рис.2 и 3 соответственно сравниваются характеристики грозового импульса изолятора и линейного разрядника с последовательным зазором 1800 мм.При положительном или отрицательном ударе молнии и последовательном разряднике такой длины вольт-временная характеристика разрядника хорошо согласуется с характеристиками как композитных, так и фарфоровых изоляторов.Однако при увеличении длины зазора до 2000 мм, как показано на рис.6 и 7, разрядник больше не будет хорошо координироваться с изолятором при положительном разряде молнии.Таким образом, правильное расстояние зазора определяется как 1800 мм.Кроме того, было замечено, что вольт-временная характеристика линейного разрядника может быть хорошо согласована с характеристикой изолятора, если блок разрядника вышел из строя.

В дополнение к согласованию изоляции линейных разрядников с изоляционными гирляндами для молниезащиты длина последовательного зазора разрядника также должна иметь подходящую способность выдерживать промышленную частоту и коммутационные перенапряжения.Как показано на рис. 4, требуемая длина последовательного зазора для разных целей не одинакова.Например, для подавления грозового перенапряжения длина последовательного промежутка должна быть меньше L1, а для гашения последующих токов промышленной частоты длина последовательного промежутка должна быть больше L2.Кроме того, длина последовательного промежутка должна быть больше, чем L3 и L4, чтобы гарантировать, что разрядник не сработает при коммутации или перенапряжении промышленной частоты.

Рис. 2: Координация положительного грозового перенапряжения между гирляндой изоляторов и полимерным линейным разрядником с последовательным зазором 1800 мм.

Рис. 3: Координация отрицательного грозового перенапряжения между гирляндой изоляторов и полимерным линейным разрядником с последовательным зазором 1800 мм

Рис. 4: Требуемая длина последовательного зазора линейных разрядников для различных целей.

Для ОПН 500 кВ с длиной последовательного зазора 1800 мм положительный коммутационный импульс 50% разрядного напряжения достигает 1676 кВ.Волна приложенного коммутационного импульсного напряжения составляет 250/2500 мс, а выдерживаемые напряжения как отрицательного, так и положительного коммутационного импульса последовательного разрядника превышают 1000 кВ.Даже если разрядник вышел из строя, выдерживаемые отрицательные и положительные импульсы переключения последовательного разрядника все равно достигают 950 кВ.Это удовлетворяет рассмотренным выше требованиям по координации изоляции, и поэтому линейный разрядник с последовательным зазором 1800 мм может быть пригоден для применения на линиях электропередачи 500 кВ с 1,8-кратным статистическим коммутационным перенапряжением.

Линейный разрядник также должен выдерживать 1,4-кратное перенапряжение переменного тока промышленной частоты в течение 1 минуты, т. е. приложенное напряжение 444 кВ (действующее значение), и разрабатываемые линейные разрядники прошли это испытание.Подробные значения требуемой длины последовательного зазора для линейного ОПН 110 кВ приведены в таблице 2. Как показано, фиксированные и разделенные длины зазоров, определенные для этих ОПН, должны составлять 550 мм и 500 мм (±5%).В таблице 3 приведены рабочие параметры линейных разрядников с последовательными разрядниками.

Таблица 2: Длина последовательного зазора линейных ОПН 110 кВ (мм)Таблица 3: Параметры ОПН линейных ОПН с последовательными разрядниками

Расстояние между линейным разрядником и изолятором

Линейный разрядник для защиты от перенапряжений должен находиться на расстоянии от параллельно установленных цепочек изоляторов.Если линейный разрядник расположен слишком близко к гирлянде изоляторов, грозовой разряд может произойти в зазоре между верхним разрядным кольцом линейного ОПН и нижним выравнивающим кольцом гирлянды изоляторов, так что разряд не произойдет через ряд разрядников. зазор.В таких случаях гирлянда изолятора может перегореть, а линейный разрядник не обеспечивает необходимой защиты изолятора.Это явление, называемое «поперечным разрядом», вызвано эффектом близости разрядного кольца линейного разрядника и было смоделировано в лабораториях высокого напряжения.

Рис. 5: Так называемый феномен «поперечного разряда».

В типичном расположении линейного разрядника 110 кВ, как показано на рис. 5, расстояние между местами подвески разрядника и изолятора составляет около 1 м.Поскольку разрядник в этом случае имеет длину около 1 м, а последовательный зазор между двумя его разрядными кольцами составляет 0,56 м, общая длина разрядника составляет около 1,5 м.При этом длина гирлянды изолятора составляет всего около 1,1 м.Поэтому более длинный линейный разрядник необходимо устанавливать под наклоном, чтобы расстояние между местами крепления разрядника и изолятора с фазным проводом составляло от 0,8 до 1,0 м.Диаметр разрядного кольца для ОПН 110 кВ составляет 0,245 м.Таким образом, ближайшая точка между верхним разрядным кольцом (А) разрядника и нижним выравнивающим кольцом (В) композитного изолятора составляет всего около 0,6 м.Это значительно меньше 1,0 м расстояния между местами подвески ОПН и гирляндой изолятора.Расстояние между А линейного разрядника и С верхнего выравнивающего кольца изолятора менее 0,8 м.

Зазор между двумя разрядными кольцами или выравнивающими кольцами можно рассматривать как зазор между проводниками.Но зазор между разрядным кольцом А линейного разрядника и выравнивающими кольцами В или С гирлянды изоляторов следует рассматривать как зазор между проводниками дуги, аналогично специальному зазору между стержнями.Если линейный разрядник расположен слишком близко к гирлянде изолятора, электрическое поле в этом промежутке искажается под влиянием разрядного и выравнивающего колец.Разряд через этот зазор становится легче, чем через зазор между двумя разрядными кольцами разрядника.В принципе, если расстояние между линейным разрядником и гирляндой изоляторов небольшое, разряд молнии происходит через зазор АВ, между верхним разрядным кольцом разрядника (А) и нижним выравнивающим кольцом изолятора (В), так что разряд по ряду разрядников отсутствует. зазор, т. е. явление «поперечного разряда».В этом случае разрядник линейного разрядника включается в работу и защищает гирлянду изолятора, хотя разрядный промежуток не функционирует.Более того, из-за эффекта близости верхнего разрядного кольца разрядника напряжение пробоя изолятора при грозовом импульсе существенно снижается по сравнению с тем, что было бы без этого эффекта.

Если гирлянда изолятора загрязнена, ее напряжение разряда молнии во влажных условиях низкое.При ударе молнии в башню в зазоре АВ возникает поперечный разряд.Поскольку остаточное напряжение разрядника при высоком токе молнии высокое, выравнивающее кольцо В изолятора имеет такой же высокий потенциал, как и разрядное кольцо разрядника А.В результате, с эффектом наложения фазного напряжения промышленной частоты переменного тока, перекрытие будет происходить через цепочку изоляторов, что означает, что путь разряда будет следующим: A→B→C.Если молния ударит в фазный провод, это будет нарушением защиты, и поперечный разряд будет от B к A, а пробой произойдет через гирлянду изолятора от B к C, т. е. пути разряда будут: B→A и B→C.Таким образом, защита линейного разрядника становится неэффективной, даже если разрядник линейного разрядника все еще находится в рабочем состоянии.Наконец, когда линейный разрядник расположен очень близко к гирлянде изолятора, грозовой разряд будет происходить как в зазоре АВ, так и в зазоре АС между верхним разрядным кольцом А разрядника и верхним выравнивающим кольцом С изолятора.В этой ситуации, если молния ударит в башню, путь разряда будет следующим: C→A→B.Если молния ударит в проводник, путь разряда будет следующим: B→A→C.Во время разряда пробой может пройти через часть поверхности гирлянды изолятора.В этом случае линейный разрядник не работает должным образом и не обеспечивает защиты гирлянды изолятора.

Как уже упоминалось, явление поперечного разряда было смоделировано в лаборатории высокого напряжения.Экспериментальные результаты показывают, что минимальное расстояние по горизонтали между боковыми частями линейного разрядника и изолятором должно быть больше 0,8 м для линии 110 кВ и 1,3 м для линии 220 кВ.

Высоковольтные градиентные варисторы ZnO для линейных разрядников

Поскольку линейный разрядник для защиты от перенапряжений обычно длиннее, чем параллельная гирлянда изоляторов, установка этих разрядников на линиях электропередачи оказалась сложной задачей.Это мотивировало разработку варисторов ZnO с высоким градиентом, чтобы сократить длину, необходимую для этих устройств.Обычно широко используемые варисторы ZnO имеют градиент напряжения 200 В/мм.Однако электрические и конструктивные параметры таких варисторов можно модифицировать путем легирования различными оксидами редкоземельных элементов.При добавлении таких оксидов в варисторы ZnO скорость роста замедляется из-за стабилизации новых шпинельных фаз, образующихся на границе зерен, и размер зерен становится меньше.Инновационные образцы варисторов ZnO, спеченные с такими оптимизированными добавками, имеют градиент напряжения 492 В/мм и коэффициент нелинейности 76. Но их ток утечки составляет всего 1 мА, что означает, что становится легче контролировать длину ОПН.На рис. 6 показаны изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), обычных варисторов ZnO и варисторов с высоким градиентом напряжения.

Рис. 6: РЭМ-изображения (а) обычных и (б) высоковольтных градиентных варисторов ZnO.

Разработка и применение линейных разрядников в Китае

Рис. 7: Ограничители перенапряжения на линиях вблизи АЭС Дайя Бэй в провинции Гуандун.

Рис. 8: Линейный разрядник 110 кВ на юге Китая.

Ограничители перенапряжения в полимерном корпусе для распределительных сетей 6 кВ и 10 кВ были разработаны в Китае в 1988 году, и в настоящее время практически все вновь устанавливаемые такие разрядники являются полимерными.Полимерные разрядники подвесного типа без зазоров, применяемые на ЛЭП и подстанциях 110 и 220 кВ для подавления грозовых и коммутационных перенапряжений, были разработаны в 1992 г., а в следующем году несколько таких разрядников 110 кВ были введены в эксплуатацию на подстанции.В мае 1995 г. в Китае были разработаны полимерные разрядники для линий электропередачи на 110 и 220 кВ с зазорами, а в сентябре 1999 г. Университетом Цинхуа были разработаны разрядники на 500 кВ с последовательным зазором для линий электропередачи, которые вскоре после этого были применены в полевых условиях.Например, в ноябре 1999 года была введена в эксплуатацию малогабаритная ЛЭП 500 кВ Чанг-Фан. По сравнению с обычными ЛЭП 500 кВ мощность увеличилась на 34% до 1340 МВт, а полоса отчуждения сократилась до 17,9 м.Все проводники трех фаз этой линии расположены в одном окне башни без использования траверс, поэтому расстояние между фазами значительно уменьшено с 12,3 м в случае обычных линий до всего 6,7 м.Количество подпроводников – 6, а общий диаметр жгута – 750 мм.Поскольку эта компактная линия проходит через горную местность с очень высоким удельным сопротивлением грунта, импульсное сопротивление заземления заземляющих устройств для опор также было очень высоким.В результате было принято решение установить на линии разрядники для повышения молниезащиты линии.

Максимально допустимое коммутационное перенапряжение в китайских электрических сетях от 110 кВ до 220 кВ составляет 3,0 о.е., и беззазорные разрядники в полимерном корпусе используются в таких приложениях в основном для ограничения грозового перенапряжения.Однако для электрических сетей 330 кВ и 500 кВ допустимые перенапряжения составляют 2,2 о.е. и 2,0 о.е. соответственно, и в этом случае используются беззазорные разрядники в полимерном корпусе для ограничения как грозовых, так и коммутационных перенапряжений.

С 1995 года разработаны и введены в эксплуатацию на сетях 35 кВ, 66 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ и 500 кВ металлооксидные разрядники в полимерном корпусе с последовательными разрядниками.Эти типы линейных разрядников используются только для ограничения грозовых перенапряжений.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.