Построение время-токовых характеристик

Для построения логарифмической шкалы необходимо найти ее уравнение. В случае построения карты селективности имеется две логарифмические шкалы (время и ток), поэтому нужно найти 2 уравнения. Эти уравнения имеют следующий вид:

                                                                        (А.1)

где x – координата точки время-токовой характеристики на оси тока, которая соответствует току I;

I – ток, А;

y – координата точки время-токовой характеристики на оси времени, которая соответствует времени t;

t – время, с.

Ось не может начинаться с нулевого значения.

Для нахождения уравнений логарифмических осей необходимо задать следующие условия:

· минимальные и максимальные значения на осях координат, т.е. минимальные и максимальные ток и время (Iмин, Iмакс, tмин, tмакс);

· координаты точки начала осей (xмин, yмин), которые соответствуют минимальным значениям тока и времени, например (0,0);

· координаты точек с максимальными значениями тока и времени, т.е. границы осей на плоскости (x_макс, y_макс).

Коэффициенты в уравнениях (А.1):

                                                               (А.2)

Например, необходимо построить карту селективности на листе А4. Параметры заданы такие:

                

Подставляем заданные параметры в уравнения (А.2):

                

Уравнение осей будут такими:

                

Необходимо разметить шкалы по найденым уравнениям, т.е. найти промежуточные значения тока и времени между максимальными и минимальными значениями и найти координаты этих значений на осях.

                

Оси для построения карты селективности по указанным выше параметрам показаны на рисунке А.1 (размеры на рисунке указаны в см).

Рисунок А.1 – Пример построения осей для карты селективности

Разрядники и нелинейные ограничители пренапряжения

Основные сведения

При работе электрических установок возникают напряжения, которые могут значительно превышать номинальные значения (перенапряжения). Эти перенапряжения могут пробить электрическую изоляцию элементов оборудования и вывести установку из строя. Электрическая изоляция должна выдерживать эти перенапряжения. С целью облегчения изоляции, возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжения (ОПН).

1 – разрядник;

2 – трубчатый разрядник;

3 – вентильный разрядник;

4 – ОПН.

Перенапряжения делят на две группы:

· внутренние (возникают при дуговых замыканиях на землю, коммутации электрических цепей – катушек индуктивности, конденсаторов, длинных линий и могу длиться от нескольких миллисекунд до нескольких секунд);

· атмосферные (возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер и малую длительность – несколько микросекунд).

Электрическая прочность изоляции при импульсах зависит от формы импульса, его амплитуды. Зависимость максимального напряжения импульса от времени разряда называется вольт-секундной характеристикой.

Вольт-секундная характеристика искрового промежутка разрядника (1) или ОПН должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемого оборудования (2). При появлении перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. После пробоя линия заземляется через сопротивления разрядника. При этом напряжение на линии определяется током, проходящим через разрядник, сопротивлением разрядника и сопротивлением заземления. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее ограничиваются перенапряжения, т.е. больше разница между возможным (4) и ограниченным разрядником перенапряжением (3). Во время пробоя через разрядник протекает импульс тока. Напряжение на разряднике при протекании импульса тока называется остающимся напряжением. После прохождения импульса тока искровой промежуток оказывается ионизированным и легко пробивается номинальным фазным напряжением. Возникает КЗ на землю, при котором через разрядник протекает сопровождающий ток промышленной частоты. Этот ток должен быть отключен разрядником как можно быстрее.

Коммутационные перенапряжения — перенапряжения существующие во время переходных процессов при коммутации элементов сети, сопровождающих внезапное изменение ее схемы или режима.

Квазистационарные перенапряжения – перенапряжения, возникающие после окончания переходного процесса при коммутации элементов сети и существующие до тех пор, пока не будут устранены специальными мерами или самоустранены.

Разрядники имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются:

· высокое импульсное, пробивное напряжение U _пр искровых промежутков вследствие чего уровень неограниченных перенапряжений достаточно велик;

· ограниченная пропускная способность, что заставляет отстроить эти защитные аппараты от большинства внутренних перенапряжений, обладающих большой запасенной электромагнитной энергией;

· после 20-25 лет эксплуатации разрядники несколько ухудшают свои вольтамперную (ВАХ) и вольтсекундную (ВСХ) характеристики, что в итоге не обеспечивают защиту оборудования от перенапряжений;

· при срабатывании вблизи индуктивных элементов (трансформаторов, реакторов или электрических машин) вызывают в их обмотках градиентные (продольные) перенапряжения, опасные для изоляции упомянутых электромагнитных элементов;

· из-за наличия искровых промежутков и шунтирующих сопротивлений обладают большими массо-габаритными характеристиками, что связано с большими затратами при транспортировке и монтаже.      

По перечисленным причинам приблизительно 30 лет тому назад в стране приостановили производство вентильных разрядников и началось интенсивное развитие работ по созданию новых защитных аппаратов – нелинейных ограничителей перенапряжений на основе высоконелинейных оксидно-цинковых (ZnO) варисторов (полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения).

Ограничители перенапряжений могут быть подключены:

· между токоведущими частями и землей, например, между вводами силовых трансформаторов и землей;

· в нейтрали силовых трансформаторов 110, 150 и 220 кВ;

· в нейтрали четырехлучевых шунтирующих реакторов;

· на опорах линий электропередачи в особых случаях, например, в гололедоопасных участках, где применение грозозащитных тросов нецелесообразно;

· параллельно электрооборудованию вдоль передачи, например, параллельно токоограничивающим реакторам, а также реакторам высокочастотной связи;

· между фазами электрооборудования и линий, например, между фазами распредустройства с уменьшенными относительно общепринятых междуфазными расстояниями.

Подключение ОПН к шине заземления осуществляется жестко с применением болта, а к фазной шине - по кратчайшему пути с помощью одножильного медного проводника, допускается применение гибкой шины.

Расстояния между ограничителями и другими заземленными и токоведущими частями электроустановки нормируются согласно "Правилам устройства электроустановок" (ПУЭ). Для обеспечения максимальной эффективности защиты электрооборудования от перенапряжения ОПН следует устанавливать как можно ближе к защищаемому оборудованию, на расстоянии не далее 3...6 м.

При защите силовых трансформаторов от грозового перенапряжения ОПН должен устанавливаться до коммутационного аппарата и присоединяться наикратчайшим путем от вводов трансформатора к заземляющему устройству подстанции.

При установке ОПН в одной ячейке с трансформатором напряжения рекомендуется присоединять ОПН до предохранителя, чтобы предотвратить перегорание предохранителя при прохождении импульсных токов.

При наличии на присоединениях трансформаторов на стороне 3...20 кВ токоограничивающих реакторов ОПН должны быть установлены на шинах 3...20 кВ независимо от наличия ОПН возле трансформаторов.

Если к сборным шинам электростанции или подстанции присоединены вращающиеся электрические машины (электродвигатели, генераторы) и ВЛ на железобетонных опорах, то в начале защищенного молниезащитным тросом ввода должен быть установлен комплект ОПН с присоединением к заземлению.

Высоковольтные двигатели могут быть перегружены повторными запусками при отключениях во время разгона. Это справедливо, когда ток отключения меньше 600 А. Чтобы защитить эти двигатели, рекомендуется устанавливать ограничители непосредственно у выводов двигателя или, как альтернатива, у выключателя.

Конструкции разрядников

Трубчатый разрядник.

При появлении перенапряжения пробиваются воздушные промежутки S ₁ и S ₂ и импульсный ток отводится на землю, затем по разряднику протекает сопровождающий ток. В узком канале обоймы (трубки) 1 из газогенерирующего материала в промежутке S ₁ между электродами 2 и 3 загорается дуга. Внутри обоймы поднимается давление. Образующиеся газы выходят через отверстие в кольцевом электроде 3.

При прохождении тока через нуль происходит гашение дуги под действием охлаждения промежутка S ₁.

В заземленном электроде 4 имеется буферный объем 5, где накапливается потенциальная энергия сжатого газа. При проходе тока через нуль создается газовое дутье из буферного объема, что способствует эффективному гашению дуги.

Работа трубчатого разрядника сопровождается сильным звуковым эффектом и выбросом газов.

Вентильные разрядники.

1 – вилитовые кольца;

2 – искровые промежутки;

3 – рабочие резисторы;

4 – фарфоровый кожух;

5 – фланцы для крепления разрядника;

6 и 7 – пластины и уплотнительные резиновые прокладки, соответственно, для уплотнения.

При появлении перенапряжения пробиваются три последовательно включенных блока искровых промежутков 2. Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю. Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги.

Для ограничения напряжения на разряднике и, соответственно, на защищаемом оборудовании (U_р = IR_р), сопротивление разрядника R_р выполняется нелинейным и с ростом тока уменьшается. Сопротивление таких разрядников при импульсных токах резко падает. Для этого в разрядниках устанавливаются вилитовые (в основе вилита – зерна карборунда SiC, на поверхности которых создается пленка оксида кремния SiO₂, сопротивление которой зависит от напряжения) резисторы 3.

Искровые промежутки шунтируются нелинейными резисторами 1 для выравнивания напряжения по искровым промежуткам.

Вентильные разрядники работают бесшумно.

Для защиты установок постоянного тока от перенапряжений используются вентильные разрядники с магнитным дутьем от постоянных магнитов, т.к. гашение дуги постоянного тока значительно сложнее, чем переменного тока.

Длинно-искровые разрядники.

Такие разрядники применяются для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6, 10 кВ трехфазного переменного тока с голыми и защищенными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий.

Разрядный элемент, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией.