Вентильные разрядники и ограничители напряжения

    Обязательной защиты ВЛ до 1000 В от прямых ударов молнии не требуется. Однако сами воздушные линии, будучи соединёнными с электрооборудованием внутри зданий, могут служить каналом для заноса высоких потенциалов в линию электросети от прямого удара молнии, а также наводимых в проводах, вследствие электростатической и электромагнитной индукции при близких грозовых разрядах.

    И такие перенапряжения могут достигать сотен тысяч вольт, которые при таких величинах всегда вызывают пробой изоляции (рисунок 6.4.1), повреждение электрооборудования и всегда являются причиной большинства пожаров (рисунок 6.4.2). Они опасны для жизни людей, находящихся в зданиях и сооружениях, подключенных к внешней электрической сети через воздушные линии.

Рис. 6.4.1. Перекрытие изоляторов линии на вводе в КТП

Рис. 6.4.2. Пробой изоляторов от перенапря-жения с возгоранием опоры

    Перекрытие изоляции в момент перенапряжения обычно сопровождается возникновением мощной электрической дуги (рисунок 6.4.3), которая поддерживается и после исчезновения перенапряжения, то есть при рабочем напряжении линии. Образование электрической дуги равнозначно образованию мощного короткого замыкания (рисунок 6.4.4),  которое может вывести из строя участок линии, нарушить целостность провода,  разрушить линейную изоляцию.

Рис. 6.4.3. Электрическая дуга с оплавлением проводов линии от прямого удара молнии

Рис. 6.4.4. Короткое замыкание электрической дугой

    Нежелательные эффекты могут возникать также в других системах, находящихся в зоне действия электромагнитных полей сетей высокого напряжения в установившихся и переходных режимах.

    В зависимости от места приложения можно выделить различные виды перенапряжений: фазные, междуфазные, внутрифазные, внутриобмоточные и междуконтактные.

    Перенапряжение - это напряжение, превышающее амплитуду наибольшего рабочего напряжения (Uном) на изоляции элементов электрической сети.

    Внутренние перенапряжения вызываются колебаниями электромагнитной энергии, запасённой в элементах электрической цепи или поступающей в неё от генераторов.

    Коммутационные перенапряжения - возникают при внезапных изменениях в схеме или параметров сети (плановые и аварийные переключения линий, трансформаторов и в других подобных случаях), а также в результате замыканий на землю и между фазами.

    В некоторых случаях необходимо учитывать также возможность возникновения внутренних перенапряжений повышенной кратности при наложении нескольких коммутаций или других неблагоприятных факторов.

    В сетях низкого напряжения для ограничения внутренних перенапряжений характеристики грозозащитных разрядников выбирают так, чтобы они не срабатывали при внутренних перенапряжениях.

    Грозовые перенапряжения относятся к внешним перенапряжениям и возникают при воздействии внешних электродвижущих сил. Наибольшие грозовые перенапряжения возникают при прямом ударе молнии в линию и подстанцию. Вследствие электромагнитной индукции близкий удар молнии создаёт индуктированное перенапряжение, которое обычно приводит к дополнительному увеличению напряжения на изоляции. Дойдя до подстанции или электрической машины, распространяющиеся от места поражения электромагнитные волны, могут вызвать опасные перенапряжения на их изоляции.

    Перенапряжения могут появляться в момент включения или отключения отдельных воздушных линий. Частота колебаний переходного процесса при небольших длинах линий и мощной питающей сети оказывается во много раз больше частоты источника питания. Так как величина перенапряжения зависит ещё и от индуктивности и от длины воздушной линии, то от разряда молнии в момент повреждения провода линии, при его обрыве, возникают переходные процессы,  мо̀гущие привести к перенапряжениям и на соседних проводах этой же линии, которые не были подвержены атмосферному разряду.

    Силовые трансформаторы открытого типа, оставшиеся подключенными к линии, в момент перенапряжения при перекрытии изоляции, вызванного прямым ударом молнии в линию, быстро входят в режим насыщения магнитопровода. Возникает переходной процесс, при котором на высокой стороне силового трансформатора появляется индуктированное напряжение с противоположным значением питающему трансформатор напряжению и во много раз его превышающее. Оно представляет собой комбинацию колебательных процессов разной частоты, наложенных на напряжение рабочей частоты 50 Гц. При таких условиях электромагнитных связей между фазами имеется вероятность появления аварийной ситуации (рисунок 6.4.5).

    Индуктированные перенапряжения представляют главную опасность для  изоляции сетей низких и средних классов напряжения. Может произойти пробой изоляции линии и катушек трансформатора с непредвиденными последствиями.

    Импульсы перенапряжений могут также оказывать влияние на изоляцию подстанций, расположенных на значительном удалении от места удара на линии, так как перенапряжения распространяются по линии на значительные расстояния с малым затуханием.

    Наиболее опасным по энергетическому воздействию переданного через трансформатор с изолированной нейтралью грозового импульса является случай падения грозовой волны по одной фазе.

    Ограничение перенапряжений линий может осуществляться с помощью вентильных разрядников или нелинейных ограничителей перенапряжений, устанавливаемых до и после силового трансформатора.

    При грозовых разрядах остающееся напряжение на вентильных разрядниках 6-35 кВ передаётся в трансформаторную обмотку 0,4 кВ, вызывая на ней и подключенном к ней электрооборудовании 0,38/0,22 кВ опасные для изоляции перенапряжения.

    Разрядник, установленный до трансформатора, забирая ток из источника перенапряжения, снижает напряжение за счёт потери напряжения во внутреннем сопротивлении, а ограничитель перенапряжения, установленный после трансформатора, снижает напряжение за счёт его потери в реактивном сопротивлении трансформатора.

    Таким образом, для снижения перенапряжения в линии до 1000 в, на опорах низковольтной линии, после трансформатора и вблизи трансформаторной подстанции, рекомендуется устанавливать низковольтные вентильные разрядники и ограничители напряжения.

    Набегающая с линии импульсная волна перенапряжения отводится в землю, остающееся напряжение не превышает 3…3,5 кВ, что практически безопасно для электрооборудования. Следует отметить, что в схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может.

    В настоящее время для защиты изоляции электрооборудования в сетях 0,38/0,22 кВ с глухозаземлённой  и с изолированной нейтралью  рекомендуется устанавливать (рисунок 6.4.4)  нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН) типа ОПН-0,22 на класс напряжения 0,22 кВ (рисунок 6.4.7), ОПН-0,38 на класс напряжения  0,38 кВ (рисунок 6.4.8), ОПН-0,6 6 на класс напряжения  0,66 кВ.

    Защитное действие ограничителя обуславливается тем, что при возникновении перенапряжений на участке сети, ток, протекающий через ограничитель резко возрастает, оксидно-цинковый резистор (варистор), включенный в конструкцию, переходит в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до значения, безопасного для изоляции оборудования. Когда перенапряжение снижается, ОПН опять возвращается в непроводящее состояние.

    Вентильный разрядник (рисунок 6.4.9) или разрядник ограничитель (рисунок 6.4.10) так же очень эффективное средство для снижения перенапряжений в линии.

    Разрядник присоединяется к фазному проводу и заземлённому спуску. Защитное действие его заключается в том, что при появлении перенапряжения происходит пробой искрового промежутка, протекающий через разрядник импульсный ток снижает величину волны перенапряжения до безопасного для оборудования значения 3…5кВ. Искровой промежуток подобран таким образом, что пробивается всякий раз, как только напряжение на защищаемом участке превысит допустимую величину.

    Следующий за пробоем искрового промежутка разрядника ток, протекающий под действием напряжения промышленной частоты (так называемый сопровождающий ток), прерывается искровым промежутком при первом переходе через нулевое значение. На этом работа разрядника закончена, и он снова готов к действию.  

    Заземления вентильного разрядника, ограничителя перенапряжения и защищаемого ими оборудований объединяются. В тех случаях, когда вентильный разрядник по каким-либо причинам имеет отдельное от защищаемого оборудования заземление, величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.