Важно знать, что:

Новая отечественная система грозозащты ВЛ 6-10 кВ с помощью устройств защиты от перенапряжений типа УЗПН.

Актуальность:

По данным РАО «ЕЭС России», общая протяжённость, находящихся в эксплуатации в Российской Федерации ВЛ 6 и 10 кВ превышает 1200 тыс. км.

Надёжность электроснабжения потребителей в значительной мере определяется надёжностью работы ВЛ 6 и 10 кВ. В силу ряда причин надёжность работы ВЛ 6 и 10 кВ является относительно низкой.

Одной из основных причин аварий и нарушений питания на ВЛ 6-10 кВ являются грозовые воздействия, которые составляют до 40% от общего числа их отключений. Они вызывают повреждения изоляторов, опор, проводов, приводят к замыканиям на землю, дуговым перенапряжениям и автоматическим отключениям. Вследствие низкого уровня импульсной прочности линейной изоляции ВЛ 6-10 кВ являются весьма подверженными грозовым отключениям, так как практически все перенапряжения от прямых ударов молний и значительная часть индуктированных перенапряжений приводят к перекрытиям изоляторов, с большой вероятностью переходящим в силовую дугу напряжения промышленной частоты.

Кроме того, внедрение в нашей стране распределительных воздушных линий с защищенными изоляцией проводами (ВЛЗ) которые   имеют ощутимые эксплуатационно-техническими преимущества перед ВЛ с неизолированными проводами по меньшей повреждаемости, надежности электроснабжения потребителей, безопасности,   габаритам, предопределяет необходимость применения какой-либо системы их грозозащиты для предотвращения пробоев изоляции и пережога проводов силовым током короткого замыкания. Особенностью проблемы грозозащиты ВЛЗ является то, что в случае отсутствия специальных мер, при грозовом перекрытии изоляторов линии, сопровождаемом пробоем изоляции провода, образующаяся с большой вероятностью дуга промышленной частоты не имеет возможности перемещаться по проводу и горит в месте пробоя изоляции до момента отключения линии. Это зачастую приводит к повреждению изоляторов, обжигу изоляции провода, а в случае больших токов короткого замыкания . – к пережогу проводов.

Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4 - 10 кВ от грозовых перенапряжений, разработанные ОАО "РОСЭП" и утверждённые ОАО "ФСК ЕЭС", обязывают защищать ВЛЗ от грозовых перенапряжений. Кроме того, в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС» утвержденной в 2006 году прямо указывается на необходимость защиты ВЛ 6-35 кВ от грозовых перенапряжений. Одним из вариантов защиты указывается использование ограничителей перенапряжений нелинейных ОПН (УЗПН). Также применение средств грозозащиты ВЛ 6-10 кВ целесообразно для особо ответственных линий, к которым предъявляются повышенные требования по надёжности (например, ВЛ, питающие объекты нефте-газо-добычи) или же для линий, проходящих в районах с повышенной интенсивностью грозовой деятельности.

В настоящее время основной технической мерой, призванной снижать ущерб от грозовых отключений ВЛ 6-10 кВ, в России служит автоматическое повторное включение, эффективность которого в среднем не превышает 50 %. АПВ, к тому же, негативным образом отражается на коммутирующем и другом высоковольтном оборудовании. Поэтому АПВ эффективно далеко не везде. Также само по себе автоматическое повторное включение не защищает от пережога провода ВЛЗ.

Для защиты воздушных линий электропередачи переменного тока напряжением 6 и 10 кВ от перенапряжений ЗАО «МЗВА» совместно с НПО "Полимер-Аппарат" разработаны устройства защиты нелинейные типа УЗПН, представляющие собой линейный ОПН с внешним искровым промежутком.

Устройства предназначены для снижения числа грозовых отключений воздушных линий и предотвращения пережога изолированных проводов ВЛЗ дугой сопровождающего грозовой импульс тока промышленной частоты.

Описание конструкции (на примере УЗПН-10-ПШ для опор со штыревой изоляцией ) и принцип действия

Устройство (рис.1) состоит из:

• специального ограничителя перенапряжений нелинейного (ОПН);
• искрового промежутка (ИП) между фазным проводом и ОПН.

Далее для примера приведена конструкция УЗПН для наиболее распространенных промежуточных опор со штыревыми изоляторами. В данном случае искровой промежуток образован электродами, один из которых закреплён на верхнем фланце ограничителя, а второй на проводе с помощью зажима (на ВЛЗ – прокусывающего зажима). Конструкция электродов и способ крепления устройства позволяют сохранять величину искрового промежутка постоянной в любых погодных условиях.

 Рис.1 Устройство УЗПН на промежуточной опоре со штыревыми изоляторами

При воздействии на провода индуктированных перенапряжений вызванных грозовыми   разрядами вблизи ВЛ или прямых ударах молнии в провода ВЛ искровой промежуток УЗПН пробивается и подсоединяет к проводу нелинейный ограничитель перенапряжений (ОПН), который благодаря снижению собственного сопротивления в этот момент осуществляет эффективный сброс перенапряжения на заземленные части опор через электроды минуя изоляторы, что предохраняет их от перекрытия и повреждения, а   провод от пережога. После снятия индуктированного перенапряжения при воздействии напряжения промышленной частоты ток через ОПН,   за счёт возврата сопротивления ОПН до исходных значений ограничивается до величины, при которой существование дуги в искровом промежутке не возможно и дуга гаснет.

 Устройства предназначены для защиты изоляции ВЛ от индуктированных перенапряжений и перенапряжений при прямых ударах молний с амплитудами до 65 кА. Прямое воздействие молнии с большей амплитудой может вызвать повреждение («спекание») ОПН, но благодаря особенности УЗПН – наличию внешнего искрового промежутка в цепи ОПН это не приведет к постоянному замыканию провода на землю.

Доля прямых ударов молнии в совокупности опасных для изоляции ВЛ грозовых перенапряжений, в зависимости от степени экранирования составляет от 0 до 10 %. Кроме того, по данным ОАО "НИИПТ" вероятность удара молнии с амплитудой превышающей 65 кА – 0,2. Таким образом, вероятность повреждения УЗПН не велика (не более 2%). Например, на ВЛ 10 кВ длиной 100 км , расположенной в Ленинградской области можно ожидать повреждение одного устройства не чаще одного раза в 2 года. Один раз в год перед началом грозосезона рекомендуется совершать обход ВЛ, защищённой УЗПН и заменять повреждённые аппараты если такие имеются.

Устройства устанавливаются по одному на каждую опору с последовательным чередованием фаз.

Установка необходимой величины искрового промежутка (L) производиться на стадии монтажа в соответствии с "Руководством по эксплуатации".

Основные электрические характеристики

Основные параметры УЗПН представлены в таблице 1.

Таблица 1

Основные технические параметры УЗПН-10

Примечание: При использовании на ВЛ с нестандартным уровнем изоляции защитные характеристики УЗПН легко координируются изменением длины искрового промежутка. В этом случае длина искрового промежутка должна выбираться и быть проверена с точки зрения координации обеспечиваемого защитного уровня и необходимого уровня изоляции для конкретных ВЛ.

Вольт-секундные характеристики искрового промежутка УЗПН определяются по методике ГОСТ 1516-2. Анализ результатов говорит о гарантированном «упреждающем срабатывании» устройства относительно момента перекрытия изолятора и соответственно надежной защите изолятора от перекрытия.

Рис 2. Вольт-секундная характеристика ИП УЗПН ( =6 см).

Сравнение УЗПН с другими средствами защиты ВЛ 6-10 кВ от грозовых перенапряжений

1. Дугозащитные рога (Устройства защиты от дуги(УЗД))

Конструкция и размещение дугозащитных рогов выбирается таким образом, чтобы любое длительное однофазное замыкание переходило в межфазное, при котором автоматическая защита отключают всю воздушную линию. Последующим АПВ или РПВ линия приводится в исходное состояние. Кратковременное же однофазное замыкание благодаря спиральным шунтам защищающим провод в районе изоляторов не представляет опасности для изолированного провода и не приводит к межфазному замыканию и соответственно к отключению линии автоматической защитой, что доказано опытом эксплуатации обычных ВЛ с «голыми» проводами.

Проще говоря, устанавливаемые на все три провода вблизи изоляторов дугозащитные «рога» вместе со спиральными шунтами обвивающими провод имитируют в   районе опоры участок с «голыми» проводами (примерно 1,5 метра ). Поскольку на линии с «голыми» проводами дуга под воздействием электродинамических сил способна перемещаться одним из своих концов вдоль провода, возможность повреждения последнего вследствие теплового воздействия дуги маловероятна, что однозначно подтверждает опыт эксплуатации обычных ВЛ 6-10 кВ с «голыми» проводами. При перекрытии изоляторов в следствии индуктированных перенапряжений токи дуговых замыканий, практически, всегда будут ограничиваться сопротивлениями заземления опор и не будут превышать 500А, что будет представлять из себя кратковременное однофазное замыкание на землю. В этом случае дуга под воздействием электродинамических сил также как и в случае с голыми проводами будет иметь возможность свободного перемещения по защитному шунту УЗД, что исключит возможность длительного теплового воздействия на изолированный провод находящийся под защитным шунтом.

В случае длительного однофазного замыкания на землю обусловленного прямыми ударами молнии и токами замыкания более 500 А, однофазное замыкание переходит в межфазное так как расстояние между проводами соседних фаз на линиях с изолированными проводами значительно меньше ( на 200 мм .) чем на линиях с голыми проводами. Сокращенное межфазное расстояние создает предпосылки к переходу однофазного замыкания в межфазное способствующим фактором которого является активная ионизация воздуха в районе горения дуги. Таким образом, дугозащитные рога (УЗД) являются надёжным и наиболее дешёвым средством грозозащиты.

 Однако при питании некоторых ответственных потребителей недопустимо полное прерывание питания даже на паузу АПВ. Тем более, что количество отключений ВЛ сильно увеличивается, т.к. многие из первоначально однофазных замыканий будут переходить в межфазные и соответственно приводить к отключению ВЛ. Еще одним недостатком данной системы является возможность короткого межфазного замыкания при попадании на дугозащитные рога и шунты УЗД посторонних предметов (например в лесистой местности), что может привести к выходу линии из строя уже на продолжительное время.

2. Длинно-искровые разрядники РДИ и УЗПН

Заявленные функциональные характеристики РДИ и УЗПН близки.

Принцип действия РДИ основан на исключении перехода искрового перекрытия в силовую дугу за счёт удлинения импульсного пути скользящего разряда.

Данный эффект был описан еще в 50-х годах прошедшего столетия как отечественными так и зарубежными специалистами, но не находил широкого применения в грозозащите ВЛ. Длительный опыт применения подобных устройств отсутствует.

Устройства, подобные УЗПН, уже десятилетиями успешно применяются во многих странах. Кроме того, неоспоримым фактом является то, что именно устройства на базе ОПН являются самым эффективным способом защиты от грозовых перенапряжений, как самих линий так и подстанционного оборудования, что подтверждено  многолетним отечественным и зарубежным опытом эксплуатации данных устройств.   Единственным преимуществом РДИ перед устройствами на базе ОПН считалась их стоимость. Финансовые возможности отечественных энергосистем не позволяли массово применять наиболее надежные системы грозозащиты ВЛ импортного производства из-за их высокой стоимости - около 9 тыс. рублей за комплект защиты одной фазы на опоре.

Сегодня современные технологии позволили ЗАО «МЗВА» и НПО "Полимер-Аппарат" создать отечественные аналоги лучших зарубежных устройств линейной грозозащиты на базе ОПН. При этом их стоимость сопоставима со стоимостью таких изделий как РДИ (РДИП-10).

Дополнительным достоинством устройств типа УЗПН является возможность присоединения к электродам формирующим искровой промежуток штатных штанг переносного заземления для обеспечения выполнения требований техники безопасности при работах на ВЛ, что  до сих пор представляло значительные технические трудности на линиях с изолированными проводами.

Испытания УЗПН

В Сибирском научно-исследовательском институте энергетики (ОАО «СибНИИЭ») была проведена работа по теоретическому выбору параметров ограничителей перенапряжений, используемых для комплектации УЗПН. И в последствии на экспериментальной модели были проведены испытания УЗПН с такими ограничителями перенапряжений.

Характеристики ограничителей перенапряжений, предназначенных для комплектации УЗПН, определённые в ОАО «СибНИИЭ»:

• удельная энергоёмкость, не менее – 0,3 кДж/кВ;
• остающиеся напряжения при воздействии номинального импульса тока 5 кА, не менее 17 кВ для УЗПН-6 и не менее 27 кВ для УЗПН-10.

Выбор остающегося напряжения обуславливался условием обрыва сопровождающегося тока. В работе были использованы характеристики современных варисторов, близкие к характеристикам варисторов, используемых НПО "Полимер-Аппарат" для комплектации ОПН.

В 2006 году в ОАО "НИИПТ" были проведены следующие испытания УЗПН 6-10 кВ:

1) Проверка пропускной способности при воздействии:

• прямоугольных импульсах тока длительностью 2000 мкс с максимальным значением 300 А;
• грозовых импульсах тока 8/20 мкс с максимальным значением 5000 А;
• импульсах большого тока 4/10 мкс с максимальным значением 65 кА.

2) Определение остающихся напряжений при воздействии:

• грозовых импульсахтока 8/20 мкс;
• быстронарастающих импульсах тока 1/10 мкс с максимальным значением 5000 А.
• испытания по определению вольт-секундной характеристики и 50%-го разрядного напряжения искрового промежутка УЗПН.

3) Испытания изоляции, механической прочности, испытания на взрывобезопасность и др. были проведены ранее для соответствующих ограничителей перенапряжений:

• Устройства взрывобезопасны. Срок службы устройств – не менее 30 лет.
• Устройство соответствует требованиям технических условий ТУ 3414-008-15207362-2003.
• Устройство УЗПН сертифицировано – Сертификат соответствия № РОСС RU.ME 05.Н05740. Срок действия с 28.04.2007г. по 26.04.2010 г.

Условное обозначение устройства для заказа: УЗПН – X- ХХ, где:

1. Х – класс напряжения ВЛ (6 или10);
2. Х Х – конструктивное исполнение узла крепления в зависимости от  применяемых опор и изоляторов ( ПШ – промежуточная опора с штыреыми изоляторами, ПО - промежуточная опора с опорными линейными изоляторами типа ОЛФ, АП- анкерная или промежуточная опора с полимерными подвесными изоляторами, АС- анкерная опора со стеклянными изоляторами типа ПС).

В комплект поставки входят:

• партия УЗПН;
• паспорт;
• руководство по эксплуатации, включающее техническое описание и руководство по монтажу (одно на упаковку из пяти шт.).

УЗПН-10-ПO

УЗПН-10-ПШ

Инструкция по монтажу устройства для защиты от перенапряжений нелинейного.

Устройства устанавливаются по одному на каждую опору ВЛ с последовательным чередованием фаз:

Сборку изделия УЗПН-10-ПШ (ПО) производить в следующем порядке:

1. В верхнее торцевое резьбовое отверстие ограничителя ОПНп (поз. 2) вкрутить электрод №2 (поз. 6) до упора (ребра ОПНп скруглены в верхней части по наружной окружности и в месте примыкания их к корпусу ОПНп).
   
2. Установить ограничитель ОПНп (поз. 2) на наклонной площадке кронштейна (поз. 4) при помощи болта М10х30, шайбы и гайки (поз. 9,11,13) следующим образом:
   
   * накрутить гайку на болт и надеть шайбу, после чего ввернуть болт через отверстие в наклонной площадке кронштейна в нижнее торцевое отверстие ОПНп до упора,
   * затем, расположив ОПНп согласно схеме, вращением гайки притянуть его к кронштейну.
   
3. Указанную выше сборку при помощи хомута (поз. 7) и крепежа М8 закрепить на штыре для установки изолятора (для УЗПН-10-ПО – на фланце изолятора) согласно схеме таким образом, чтобы кронштейн опирался на элементы траверсы, а расстояние от провода до электрода №2 (поз. 6) составляло 80-110 мм.
   
4. На проводе смонтировать зажим ответвительный ОАЗ-2 (поз.1) с установленным в нем электродом №1 (поз. 5) так, что бы расстояние междупри электродами составляло 60 мм согласно шаблона (выставляется перемещением электрода №1 в зажиме ОАЗ-2 перед его окончательной фиксацией на проводе, после чего произвести затяжкумоментом   не менее 40 Нм).
   
5. Предварительно указанное расстояние между электродами можно выставить перемещением кронштейна с ОПНп относительно штыря изолятора (для этого в кронштейне имеется ряд дополнительных крепежных отверстий в зависимоти от для используемой спиральной вязки).
   
6. Надеть на ответвительные зажим ОАЗ-2 защитный кожух.

Монтаж УЗПН-10-ПШ

Монтаж УЗПН-10-ПО

Сборку изделия УЗПН-10-АП производить в следующем порядке:

1. В нижнее торцевое резьбовое отверстие   ограничителя ОПНп-10 (поз. 2) вкрутить электрод №2 (поз.4) до упора.

2. Установить ограничитель ОПНп (поз. 2) на обращенном к траверсе оконцевателе изолятора согласно схеме следующим образом:

* закрепить плашки (поз. 5,6) на шейке изолятора, соединив их при помощи болта М10х90, гайки, гровера и двух шайб (поз. 9,10,11,12) не затягивая гайку окончательно ,

* накрутить на болт М10х90 вторую гайку и через шайбу накрутить ограничитель ОПНп через его верхнее торцевое отверстие, расположив его согласно схеме после чего окончательно затянуть гайку прилегающую к ОПНп,

* расположить ОПНп вертикально вниз и окончательно стянуть плашки верхней гайкой.

3. Закрепить   на противоположном оконцевателе изолятора по одну сторону с ОПНп согласно схеме электрод №1 (поз. 3) при помощи двух полухомутов (поз.7), стянув их с одной стороны болтом М10х30 с гровером и гайкой, с другой стороны двумя гайками и гровером, используя резьбовую часть электрода №1 перед этим выставив расстояние >60 мм между электродами, расположив их перпендикулярно друг к другу.

Монтаж УЗПН-10-АП

ВНИМАНИЕ:

1. При монтажена анкерной опоре УЗПН-10-АП в составе изолирующей подвески между оконцевателем изолятора и натяжным зажимом должно включаться промзвено ПРТ-7-1 (входит в комплект поставки УЗПН-10-АП). При этомизгиб провода шлейфа должен формироваться, так чтобы исключить возможность касания им электродов УЗПН.

2. Затяжка крепежа на кронштейнах и электродах производить моментом не менее 40 Н/м.