Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (БНТУ) Энергетический факультет Кафедра «Электрические станции» ОТЧЁТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ Студент группы 10609121 А. Ю. Юревич Научный руководитель П. И. Климкович Нормоконтроль М. С. Конохов Минск 2022 РЕФЕРАТ Отчет 30 с., 5 рис., 4 источн. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ РАЗРЯДНИКИ, СЕТИ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ОГРАНИЧИТЕЛИ СИСТЕМЫ, СЕТЬ, ВЕНТИЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ Объектом исследования являются перспективные направления развития энергетики. Цель работы – изучить интеллектуальные сети и системы электроснабжения и вентильные разрядники и ограничители перенапряжения. В работе рассмотрены и проанализированы интеллектуальные сети и системы электроснабжения и вентильные разрядники и ограничители перенапряжения. Показаны особенности и свойства интеллектуальных сетей, систем электроснабжения, вентильных разрядников, ограничителей перенапряжения. 2 СОДЕРЖАНИЕ стр. ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4 1 Интеллектуальные сети и системы электроснабжения .................................... 5 1.1 Интеллектуальные энергосистемы............................................................... 5 1.2 История развития электросетей .................................................................... 5 1.3 Возможности модернизации ......................................................................... 8 1.4 Интеллектуальная сеть .................................................................................. 8 1.5 Модель интеллектуальной сети .................................................................... 9 1.6 Потребность в интеллектуальных сетях .................................................... 11 1.7 Технические сложности .............................................................................. 12 1.8 Компоненты технологии интеллектуальных сетей .................................. 12 1.9 Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) ........... 13 1.10 Системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC).................. 14 1.11 Накопление энергии для нейтрализации перерывов .............................. 15 2 Вентильные разрядники и ограничители перенапряжения ........................... 17 2.1 Вентильные разрядники .............................................................................. 17 2.2 Конструкция и принцип действия вентильных разрядников .................. 18 2.3 Основные характеристики вентильного разрядника ................................ 19 2.4 Выбор вентильных разрядников ................................................................ 20 2.5 Ограничители перенапряжения .................................................................. 20 2.6 Устройство ограничителя перенапряжений .............................................. 21 2.7 Принцип действия ограничителей ............................................................. 23 2.8 Типы изоляций ограничителей перенапряжений ..................................... 25 2.8.1 Фарфоровые ограничители перенапряжений ..................................... 25 2.8.2 Полимерные ограничители перенапряжений ..................................... 26 2.9 Обслуживание и методы диагностики ОПН ............................................. 27 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 29 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 30 3 ВВЕДЕНИЕ Анализ технологических трендов показывает, что мировая энергетика стоит на пороге энергетической революции, содержанием которой является переход от индустриальной энергетики к постиндустриальной. Индустриальная энергетика основана на сжигании ископаемого топлива, транспортируемого на большие расстояния, и на потреблении больших объемов энергии при сравнительно слабом управлении энергетическими потоками («силовая энергетика»). Постиндустриальная энергетика основана на энергии возобновляемых источников энергии (а также, возможно, атомной энергетике), децентрализации энергии, эффективном использовании сравнительно небольших потоков энергии («умная энергетика»). Основные направления энергетической революции - повсеместное распространение технологий энергосбережения, интеграция энергетики в техносферу, распространение ВИЭ, децентрализация энергетики, создание «умных сетей» и энергоинформационных систем, «энергоэффективный дом» и «энергоэффективный город». 4 1 Интеллектуальные сети и системы электроснабжения 1.1 Интеллектуальные энергосистемы Умные сети электроснабжения (Smart grid) – это модернизированные сети электроснабжения, которые используют информационные и коммуникационные сети и технологии для сбора информации об энергопроизводстве и энергопотреблении, позволяющей автоматически повышать эффективность, надёжность, экономическую выгоду, а также устойчивость производства и распределения электроэнергии. Правила разработки «Умных сетей» определены в Европе через «Платформу европейских умных сетей электроснабжения» (Smart Grid European Technology Platform). Развитие технологии умных сетей также означает фундаментальную реорганизацию рынка услуг электроэнергетики несмотря на то, что терминология на первый взгляд предполагает только развитие технической инфраструктуры. Однако у умных сетей электроснабжения есть минусы: зависимость от постоянного электроснабжения, присутствие посторонних лиц – разработчиков сети, правовая неопределенность ответственности. 1.2 История развития электросетей Первая Электросеть переменного тока была установлена в 1886. В то время, сеть была централизована и являлась однонаправленной системой передачи и распределения электроэнергии. Спрос управлял предложением. В 20 веке локальные сети росли с течением времени и в конечном итоге были подключены друг к другу по экономическим соображениям и для повышения надежности всей системы. 5 К 1960 годам электрические сети в развитых странах значительно разрослись, созрели и были тесно взаимосвязаны тысячами «центральных» электростанций подающих мощности в крупные центры потребления через линии большой мощности, которые затем разветвлялись и разделялись для обеспечения питания небольших промышленных, а также бытовых потребителей по всей площади питания. Топология сети 1960-х годов стала результатом сильных экономик: большие станции работающие на угле, газе, а также мазутных электростанций размером от 1 ГВт (1000 МВт) до 3 ГВт оказались экономически эффективными за счёт оптимизаций, выгодных для производства электричества исключительно в гигантских масштабах. Стратегически электростанции были расположены поблизости к запасам ископаемого топлива (шахт или колодцев либо близко к железной дороге, дороги или портов). Выбор площадок для гидроэлектрических плотин в горных районах также сильно повлиял на структуру формирующейся сети. Атомные электростанции были размещены в зависимости от наличия охлаждающей воды. Наконец станции работающие на ископаемом топливе были первоначально весьма экологически грязными и расположены как можно дальше от населенных пунктов, насколько это позволяла экономическая и техническая ситуация. К концу 1960-х годов, электросети достигли подавляющего большинства потребителей развитых стран и только некоторые отдалённые региональные области остались вне сети. Учёт потребления электроэнергии происходит отдельно на каждого пользователя, для того чтобы оплата соответствовала (сильно варьирующему) уровню потребления различных пользователей. Из-за ограниченной возможности сбора и обработки данных в период роста электросети, широко распространились фиксированные тарифы, а также механизмы двойного тарифа, когда в ночное время цена за электричество намного ниже дневного. 6 Причиной для двойного тарифа являлся пониженный спрос на электричество в ночное время. Двойной тариф делал возможным использование недорогой ночной электроэнергии для обеспечения «тепловых баков», которые служили для сглаживания повседневного спроса, а также уменьшение количества турбин, которые иначе должны были бы быть отключены на ночь. Тем самым повышалась рентабельность производства и передачи электроэнергии. Возможности передачи сигналов реальной стоимости электричества на каждый конкретный момент у сети образца 1960 года были ограниченными. В период от 1970-х до 1990-х годов, рост спроса привел к увеличению числа электростанций. В некоторых районах поставки электроэнергии, особенно в часы пик, больше не могли идти в ногу с требованием, что приводило к снижению качества электроэнергии, включая аварии, отключение электроэнергии и колебания напряжения. Все в большей мере от снабжения электроэнергией зависели промышленность, отопление, связь, освещение, поэтому потребители требовали все более высокий уровень надежности. К концу XX века были разработаны модели спроса на электроэнергию. Отопление и охлаждение домов привело к ежедневным пикам спроса, которые сглаживались массивными «пиковыми генераторами», которые каждый день включались лишь на короткое время. Такие «пиковые генераторы» (обычно газотурбинные) использовались из-за их относительной дешевизны и быстрого запуска. Однако, так как использовались они только время от времени и являлись избыточными всё остальное время, цены на электричество для потребителя значительно повысились. В XXI веке некоторые развивающиеся страны, – такие, как Китай, Индия и Бразилия, – оказались пионерами внедрения умных сетей электроснабжения. 7 1.3 Возможности модернизации С начала 21-го века стали очевидными возможности воспользоваться преимуществами улучшений в технологии электронной связи для решения ограничений и затрат на электрическую сеть. Технологические ограничения на измерение больше не вынуждают пиковые цены на электроэнергию усредняться и передаваться всем потребителям в равной степени. Параллельно растущая обеспокоенность по поводу экологического ущерба от электростанций, работающих на ископаемом топливе, привела к желанию использовать большое количество возобновляемой энергии. Доминирующие формы, такие как энергия ветра и солнечная энергия, сильно варьируются, и поэтому стала очевидной необходимость в более сложных системах управления, чтобы облегчить подключение источников к высоко контролируемой сети. Энергия от фотоэлектрических элементов (и, в меньшей степени, ветряных турбин) также, что значительно, поставила под сомнение императив для крупных, централизованных электростанций. Быстро падающие затраты указывают на серьезное изменение от централизованной топологии сети к высоко распределенной, при этом энергия генерируется и потребляется прямо на границах сети. Наконец, растущая обеспокоенность по поводу террористических атак в некоторых странах привела к призывам к более надежной энергетической сети, которая меньше зависит от централизованных электростанций, которые воспринимались как потенциальные цели атаки. 1.4 Интеллектуальная сеть Интеллектуальная сеть (Intelligent Network, IN) – способ организации сети связи ориентированный на введение в сеть услуг и управление ими. 8 Концепция, заложенная в интеллектуальную сеть, определяет архитектуру аппаратных и программных средств, которая позволяет выполнять обмен данными между системой коммутацией и сетью во время организации связи между узлами. Принцип построения интеллектуальной сети введен международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union). Основным требованием к архитектуре интеллектуальной сети является отделение функций предоставления услуг от функций коммутации и распределения их пофункциональным подсистемам. Функции коммутации, как и для традиционных сетей, остаются в базовой сети связи. Функции управления, создания и внедрения услуг выносятся в создаваемую отдельно от базовой сети интеллектуальную надстройку, взаимодействующую с базовой сетью через стандартизованные интерфейсы. 1.5 Модель интеллектуальной сети Модель интеллектуальной сети представляет собой 4 уровня: – Сервисная плоскость – Распределенная функциональная плоскость. – Физическая плоскость – Глобальная функциональная плоскость В процессе оказания услуги происходит взаимодействие всех плоскостей модели. Например, при указании услуги голосовой связи точка коммутации сервиса принимает вызов, обращается на точку управления сервисом за инструкциями, получает информацию, например о маршрутизации, соединяет с конечной точкой и поддерживает связь. Интеллектуальная сеть включает в себя различные операционные и энергетические меры, в том числе: 9 Передовая инфраструктура учета (для которой интеллектуальные счетчики являются общим названием для любого устройства на стороне утилиты, даже если оно более способно, например, оптоволоконный маршрутизатор) – Интеллектуальные распределительные щиты и автоматические выключатели, интегрированные с домашним управлением и реагированием на спрос (за счетчиком с точки зрения коммунальных услуг) – Переключатели управления нагрузкой и интеллектуальные приборы, часто финансируемые за счет повышения эффективности муниципальных программ. – Возобновляемые источники энергии, включая емкость для зарядки припаркованных (электромобилей) батарей или более крупных массивов батарей, переработанных из них или других накопителей энергии. – Энергоэффективные ресурсы. – Достаточная оптоволоконная широкополосная связь коммунального класса для подключения и мониторинга вышеперечисленного, с беспроводной связью в качестве резервной копии. Достаточные резервные, хотя и «темные» мощности для обеспечения отработки отказа, часто сдаются в аренду для получения дохода. – Электронное кондиционирование энергии и контроль производства и распределения электроэнергии являются важными аспектами интеллектуальных сетей. Внедрение технологии интеллектуальных сетей также подразумевает фундаментальную реорганизацию отрасли электроэнергетических услуг, хотя типичное использование термина сосредоточено на технической инфраструктуре. Проблемы с технологией интеллектуальных сетей в основном сосредоточены на интеллектуальных счетчиках, элементах, поддерживаемых ими, и общих проблемах безопасности. 10 1.6 Потребность в интеллектуальных сетях Электричество – это самая универсальная и широко используемая форма энергии в мире. Более пяти миллиардов людей в мире имеют доступ к электрической энергии, и эта цифра увеличивается. Согласно прогнозу МЭА, мировой спрос на электроэнергию растет вдвое быстрее, чем спрос на первичную энергию и самый высокий темп роста наблюдается в Азии. Для удовлетворения такого спроса необходимо еженедельно в течение следующих 20 лет вводить в эксплуатацию электростанцию мощностью 1 ГВт со всей соответствующей инфраструктурой. В то же время, в связи с возрастающим распространением цифровых технологий, общество требует энергии высокого качества и ее надежной поставки. Это означает что сбои могут привести к значительным экономическим потерям. Согласно прогнозу МЭА (Международное энергетическое агенство), мировой спрос на электроэнергию растет вдвое быстрее, чем спрос на первичную энергию. Другая существенная проблема воздействие на окружающую среду. На долю CO2 приходится 80% парникового эффекта, а производство электроэнергии является самым значительным источником выброса CO2. Поразительно, что более 40% выбросов CO2 на электростанциях приходится на традиционные электростанции. Чтобы снизить выбросы CO2 в атмосферу необходимы возобновляемая энергия, регулирование энергопотребления. Однако рост доли возобновляемой энергии в системе несет с собой собственные проблемы; например, не только повышается неопределенность с подачей энергии, но и отдаленное географическое расположение ветряных электростанций и источников солнечной энергии еще больше увеличивают нагрузку на существующие инфраструктуры.. 11 1.7 Технические сложности Наиболее актуальные технические сложности следующие: – экономичное повышение производительности сети при минимизации ее воздействия на окружающую среду; – повышение использования объектов сети с управлением и контролем передачи мощности; – управление и контроль передачей для снижения потери и потребления мощности в пиках нагрузки как в системе передачи, так и в системе распределения; – подключение к сети ресурсов возобновляемой энергии с локальных и удаленных установок и управление периодическими генерациями; – интеграция и оптимизация накопления энергии для уменьшения требуемой мощности сетей; – интеграция мобильного потребления (например, электромобили с зарядкой от электрической сети) для снижения нагрузки на сети; –снижение рисков нарушения электроснабжения; и если нарушение произошло, обнаружение и изоляция какихлибо возмущений в электросистеме и быстрое восстановление работы; –управление реакцией потребителей для сокращения нагрузки на сеть и для оптимизации использования объектов сети. 1.8 Компоненты технологии интеллектуальных сетей Интеллектуальная сеть состоит из технологий, подразделяемых на четыре категории. Нижний, или физический, уровень аналогичен мускулам в человеческом теле. Там происходит преобразование, передача, накопление и потребление энергии; уровень датчиков и приводов соответствует сенсорным и моторным 12 нервам, которые воспринимают окружающее пространство и управляют мышцами; уровень связи соответствует нервам, которые передают сенсорно-моторные сигналы; и уровень принятия решений, соответствующий мозгу человека. Уровень принятия решений состоит из всех компьютерных программ, работающих в реле, интеллектуального электронного устройства (IED), системы автоматики подстанции, центра управления или вспомогательного отдела предприятия. Взаимодействие и безопасность играют важную роль в обеспечении повсеместной связи между системами различных сред и топологий и в поддержке оперативного подключения устройств, которые не могут конфигурироваться автоматически при подключении к сети. 1.9 Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) Системы SCADA контролируют тысячи точек измерения в удаленных терминалах в различных сетях. Они моделируют сети, имитируют работу под нагрузкой, определяют неисправности, упреждают отключения и участвуют в рынках сбыта энергии. Рисунок 1.1 – Операторский интефейс, разработанный в SCADA 13 ABB реализовала более 5000 установок по всему миру – больше, чем любой другой поставщик. Самая большая система в мире, поставленная ABB, находится в Каматаке, Индия. Она контролирует 830 подстанций, поставляющих энергию для 16 миллионов человек. ABB (Asea Brown Boveri) – шведско-швейцарская транснациональная компания, специализирующаяся в области электротехники и энергетического машиностроения, Система может увеличить энергетический КПД на 50% и сократить потери времени потребителя на 70%. 1.10 Системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC) Система передачи электроэнергии с высоким напряжением, постоянным током HVDC (также называемая силовой сверхмагистралью или электрической сверхмагистралью) использует постоянный ток для передачи большой мощности. Системы HVDC преобразуют переменный ток генерируемой мощности в постоянный для передачи, до того как он будет преобразован обратно в переменный ток для использования потребителем. Система HVDC идеальна для передачи мощности из труднодоступных зон (например, под водой) и на большие расстояния с низкими потерями. Так, при использовании соединения постоянного тока сверхвысокого напряжения (UHVDC) в Китае протяженностью более 2000 км от электростанции Xiangjiaba до Шанхая, предусмотрено снижение потерь более чем на 30%. Большинство звеньев HVDC используют напряжения от 100 кВ до 800 кВ. Соединение 1100 кВ в Китае было завершено в 2019 году на расстоянии 300 км при мощности 12 ГТ. 14 С этим измерением становятся возможными межконтентные соединения, которые могли бы помочь справиться с флотациями ветроэнергетики и фотовольтаики. HVDC обеспечивает передачу мощности между несинхронизированными системами передачи переменного тока. Поскольку поток мощности через линию связи HVDC может управляться независимо от фазового угла между источником и нагрузкой, он может подвергать сеть расстояниям из-за быстрого изменения мощности. HVDC также позволяет передавать энергию между сеточными системами, работающими на различных частотах, таких как 50 Гц и 60 Гц. Это повышает стабильность и экономичность каждой сети, позволяя обмениваться электроэнергией между несопоставимыми сетями. Система HVDC снижает расходы на инфраструктуру (меньше опор линии передачи) что компенсирует более высокие инвестиции, необходимые в преобразовательных подстанциях. 1.11 Накопление энергии для нейтрализации перерывов В объединенной сети общая электрическая мощность на входе и выходе должна быть все время сбалансированной. Любой дисбаланс вызовет отклонение частоты в сети от нормального значения 50 или 60 Гц. Балансировка энергии является главной проблемой для коммунальных предприятий и особенно важна в том случае, когда в комбинированную систему энергоснабжения подключается большое количество периодической ветровой и солнечной энергии. Массовое накопление электрической энергии помогает компенсировать любой дисбаланс в системе и снижает необходимость в дорогостоящих мощностях вращающегося резерва. 15 Аккумуляторные установки с преобразователями прямого тока в переменный ток являются одной из возможностей решения проблемы. Крупнейшая в мире система аккумулирования энергии установленная ABB с помощью аккумуляторных батарей (BESS) расположена в Фербэнксе. Эта установка может поставлять энергию 26 МВт в течение 15 минут, обеспечивая коммунальному предприятию достаточное время для подключения резервного источника в случае аварии. 16 2 Вентильные разрядники и ограничители перенапряжения 2.1 Вентильные разрядники Разрядник – электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях. Первоначально разрядником называли устройство для защиты от перенапряжений на основе искрового промежутка. Затем, для ограничения перенапряжений начали применять устройства на основе полупроводников и металл-оксидных варисторов, применительно к которым продолжают употреблять термин «разрядник». Пробивной предохранитель – электрический аппарат, предназначенный для защиты низковольтных систем с изолированной нейтралью от появления в них высокого напряжения в случае пробоя изоляции в трансформаторах. Представляет собой воздушный разрядник однократного действия специальной конструкции. Вентильные разрядники, как и другие типы разрядников, предназначены для ограничения возникающих в электрических сетях коммутационных и атмосферных перенапряжений, с целью предотвращения возможных пробоев изоляции, повреждения оборудования и прочих негативных последствий. Рисунок 2.1 – Вентильный разрядник РВО 10У1 17 2.2 Конструкция и принцип действия вентильных разрядников Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких однократных) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых или тиритовых дисков). Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора – снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Вентиль обладает особенным свойством — его вольт-амперная характеристика нелинейна – падает с увеличением значения силы тока. Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вилита вентильные разрядники и получили своё название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени. Основными элементами разрядника типа РВС-10 (разрядник вентильный станционный на 10 кВ) являются вилитовые кольца, искровые промежутки и рабочие резисторы. Эти элементы расположены внутри фарфорового кожуха, который с торцов имеет специальные фланцы для крепления и присоединения разрядника. Рабочие резисторы изменяют свои характеристики при наличии влаги. Кроме того, влага, оседая на стенках и деталях внутри разрядника, ухудшает его изоляцию и создает возможность перекрытия. Для исключения проникновения влаги кожух разрядника герметизируется по торцам с помощью пластин и уплотнительных прокладок из озоностойкой резины. Работа разрядника происходит в следующем порядке. 18 При появлении перенапряжения пробиваются три последовательно включенных блока искровых промежутков. Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю. Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги сопровождающего тока. 2.3 Основные характеристики вентильного разрядника Основные характеристики вентильного разрядника: 1. Класс напряжений сети (стандартное номинальное напряжение сети, для работы в которой предназначен разрядник) Uнр. 2. Номинальное напряжение (наибольшее допустимое напряжение на разряднике) – это действующее максимальное напряжение промышленной частоты, при котором гарантируется надежное гашение дуги разрядника. По этому параметру все разрядники делят на 2 группы: – для работы в сети с глухозаземленной нейтралью; – для работы в сети с изолированной нейтралью; – комбинированные разрядники. 3. Пробивное напряжение при промышленной частоте в сухом состоянии и под дождем. 4. Импульсное пробивное напряжение при предельном разрядном времени 2-20 мкс. Эта характеристика определяет величину напряжения, которое будет действовать на изоляцию электроустановки до срабатывания разрядника. 5. Остаточное напряжение на разряднике – напряжение, остающееся на разряднике после его срабатывания при протекании по нему импульса тока заданной формы и длительности. 6. Токовая пропускная способность – показывает, сколько импульсов заданной формы пропустит разрядник без ухудшения своих характеристик. 19 7. Длина пути утечки внешней изоляции – характеризует длину пути утечки тока по внешнему изолятору. 2.4 Выбор вентильных разрядников Для выбора вентильных разрядников необходимо знать: – Номинальное напряжение разрядника должно соответствовать номинальному напряжению сети. – Вольт-секундная характеристика разрядника должна идти ниже характеристики защищаемого объекта и должна быть пологой, то есть напряжение пробоя и остаточное напряжение разрядника должны быть меньше либо равны допустимому напряжению сети. – По допустимой отключающей способности. – Расстояние до защищаемого объекта должно быть таким, чтобы импульс перенапряжения не успел достигнуть защищаемый объект до того как будет ограничен. – Место установки должно соответствовать указанному для данного разрядника (наружная или внутренняя). 2.5 Ограничители перенапряжения В настоящее время вентильные разрядники считаются морально устаревшими и заменяются ограничителями перенапряжения. В некоторых случаях оборудование может оказаться под влиянием завышенного, по сравнению с номинальным, напряжения (при грозе или коммутациях электрических цепей). В этом случае возрастает вероятность пробоя изоляции установки. Нелинейные ограничители перенапряжений предназначены для использования в качестве основных средств защиты электрообору- 20 дования станций и сетей среднего и высокого классов напряжения переменного тока промышленной частоты от коммутационных и грозовых перенапряжений. Ограничители применяются вместо вентильных разрядников соответствующих классов напряжения и включаются параллельно защищаемому устройству или установке. Ограничитель перенапряжений нелинейный (ОПН) – электрический аппарат, предназначенный для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. ОПН также можно назвать разрядником без искровых промежутков. ОПН на сегодняшний день являются одним из эффективных средств защиты оборудования электрических сетей. Когда используется ограничитель перенапряжений. В некоторых случаях оборудование может оказаться под влиянием завышенного, по сравнению с номинальным, напряжения (при грозе или коммутациях электрических цепей). В этом случае возрастает вероятность пробоя изоляции установки. Нелинейные ограничители перенапряжений предназначены для использования в качестве основных средств защиты электрооборудования станций и сетей среднего и высокого классов напряжения переменного тока промышленной частоты от коммутационных и грозовых перенапряжений. Ограничители применяются вместо вентильных разрядников соответствующих классов напряжения и включаются параллельно защищаемому устройству или установке. 2.6 Устройство ограничителя перенапряжений Основной элемент ОПН – варистор. Основная активная часть ОПН состоит из набора варисторов, соединённых последовательно и составляющих так называемую «колонку». 21 В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции ограничитель может состоять из одной колонки или из ряда колонок, соединённых последовательно либо параллельно. Отличие материала варисторов ОПН от материала резисторов вентильных разрядников состоит в том, что у нелинейных резисторов ограничителей перенапряжения присутствует повышенная пропускная способность, а также высоконелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ), благодаря которой возможно непрерывное и безопасное нахождение ОПН под напряжением, при котором обеспечивается высокий уровень защиты электрооборудования. Данные качества позволили исключить из конструкции ОПН искровые промежутки. Материал нелинейных резисторов ОПН состоит в основном из оксида цинка (ZnO) и оболочки в виде глифталевой эмали, повышающей пропускную способность варистора. В процессе изготовления оксид цинка смешивается с оксидами других металлов. Варисторы на основе оксида цинка являются системой, состоящей из последовательно и параллельно включённых p-n переходов. Именно эти p-n переходы определяют нелинейность ВАХ варистора. ОПН конструктивно представляет собой колонку варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука (в случае полимерной изоляции прибора), либо колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфора (в случае фарфоровой изоляции). В ОПН с полимерной изоляцией пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой варисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. У ограничителей перенапряжений с фарфоровой изоляцией на торцевых сторонах покрышки располагают мембраны и герметизирующие резиновые 22 уплотнительные кольца, а на фланцах устанавливают специальные крышки с выхлопными отверстиями. На крышке ограничителя перенапряжений имеется контактный болт для подключения к токоведущей шине. ОПН снабжён изолированной от земли плитой основания. Внутренняя стеклопластиковая труба, мембраны и крышки обеспечивают взрывобезопасность конструкции при прохождении токов короткого замыкания. 2.7 Принцип действия ограничителей Защитное действие ограничителя перенапряжений обусловлено тем, что появление опасного для изоляции перенапряжения, вследствие высокой нелинейности резисторов через ограничитель перенапряжений протекает значительный импульсный ток, в результате чего величина перенапряжения снижается до уровня, безопасного для изоляции защищаемого оборудования. В нормальном рабочем режиме ток через ограничитель имеет емкостный характер и составляет десятые доли миллиампера. Но при возникновении перенапряжений резисторы ОПН переходят в проводящее состояние и ограничивают дальнейшее нарастание перенапряжения до уровня, безопасного для изоляции защищаемой электроустановки. Когда перенапряжение снижается, ограничитель вновь возвращается в непроводящее состояние. Вольт-амперная характеристика (рисунок2.1) ограничителя состоит из 3 участков: – область малых токов; – область средних токов; – область больших токов. 23 Рисунок 2.2 – Вольт-амперная характеристика ОПН В первой области варисторы работают под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение (синяя линия). В режим средних токов варистор переходит при возникновении перенапряжения в сети. При этом на границе 1 и 2 областей происходит перегиб ВАХ, сопротивление варисторов существенно уменьшается и через них протекает кратковременный импульс тока. Варистор поглощает энергию импульса и рассеивает её в окружающее пространство в виде тепла. За счёт поглощения энергии импульс перенапряжения резко падает. Третья область для ограничителя является аварийной, сопротивление варисторов в ней вновь резко возрастает. Виды ограничителей перенапряжений. Ограничители перенапряжения подразделяются в зависимости от: – типа изоляции (полимерная, фарфоровая); – конструктивного исполнения (одноколонковые, многоколонковые); – величины рабочего напряжения (6-10 кВ; 35кВ; 110кВ; 220кВ и др.); – места установки. 24 2.8 Типы изоляций ограничителей перенапряжений 2.8.1 Фарфоровые ограничители перенапряжений Представляют собой колонку варисторов, прижатую к боковой поверхности стеклопластиковой трубы, расположенной внутри фарфоровой покрышки. Получили большое распространение среди защитных средств, но, в последнее время мало пользуются спросом в связи с появлением ОПН с полимерной покрышкой. Рисунок 2.3 – Фарфоровый ограничитель перенапряжения К плюсам ограничителей с фарфоровой изоляцией относят: – относительно малое влияние температурных колебаний на состояние аппарата; 25 –большая механическая устойчивость (это связано с тем, что основная механическая нагрузка прикладывается к изоляционному покрытию). Недостатки ОПН в фарфоровой покрышке: – Недостаточное обеспечение герметичности узла крепления фланца к фарфоровой изоляционной покрышке и сохранение свойств резиновых уплотнителей в процессе длительной эксплуатации; – высокая взрывоопасность (фарфоровые осколки при взрыве разлетаются в разные стороны с огромной скоростью); – масса и габариты (ограничители в полимерной покрышке в 2-3 раза легче ОПН с фарфоровой изоляцией); – худшие по сравнению с полимерной ОПН тепловые характеристики. 2.8.2 Полимерные ограничители перенапряжений ОПН состоит из колонки варисторов, заключённых в высокопрочный полимерный корпус из высокомолекулярного каучука. Пространство между стеклопластиковой трубой и колонкой резисторов заполняется низкомолекулярным каучуком, а сама труба имеет расчётное количество отверстий для обеспечения взрывобезопасности конструкции при прохождении токов короткого замыкания. Рисунок 2.4 – Полимерные ограничители перенапряжений 26 На данный момент полимерные ОПН (ОПНп) превзошли по масштабам использования и производства фарфоровые ОПН. Преимущества полимерной ОПН: – высокая гидрофобность; – значительно высокая взрывобезопасность, чем у фарфоровых ОПН; – малый вес; – лучшие, чем у ОПН в фарфоровой покрышке, электрические и разрядные характеристики; – простота монтажа и транспортировки, а также стойкость к ударным и вибрационным воздействиям; – способность работать в условиях естественных и промышленных загрязнений и так далее. К недостаткам полимерных ограничителей относятся: – влияние воздействия сезонных колебаний температуры окружающей среды (внутреннее пространство имеет значительно отличающийся коэффициент теплового расширения от материала покрышки, это может привести к деформации рёбер покрышки и снижению электрической прочности внешней изоляции); – неправильный расчёт механической нагрузки может привести к растрескиванию варисторов ограничителя. 2.9 Обслуживание и методы диагностики ОПН Поиск неисправного ОПН занимает большое количество времени. В большинстве случаев оценку состояния ОПН производят визуальным осмотром либо разборкой ОПН и проверкой нормируемых электрических параметров резисторов. В связи со сложностью визуального осмотра линия, защищаемая от перенапряжений, может оказаться под угрозой. 27 Кроме того, согласно инструкции ЦЭ-936, периодичность текущего ремонта и межремонтных испытаний ограничителей перенапряжений составляет для ОПН переменного тока – 1 раз в 4 года, а для ОПН постоянного тока – 1 раз в год. Методы диагностики ОПН: – измерение сопротивления; – измерение токов проводимости ОПН в лабораторных условиях; – измерение токов проводимости ОПН под рабочим напряжением (110750 кВ); – с помощью приборов инфракрасной техники с высокой разрешающей способностью). 28 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Внедрение интеллектуальной энергосистемы в связано с техническим прорывом в области коммуникаций, технологических решений по развитию альтернативных источников энергии, разработкой моделей и алгоритмов функционирования энергосистемы на основе методов искусственного интеллекта: теории нечетких множеств и нечеткой логики, нейросетевых технологий, генетических алгоритмов. В настоящее время производятся варисторы с такой высокой степенью нелинейности вольт-амперной характеристики, что они могут быть подключены к токоведущим элементам без искровых промежутков. Протекающий по ним ток при номинальном напряжении составляет миллиамперы, а при повышениях напряжения возрастает до тысяч ампер. Отсутствие искровых промежутков существенно упрощает конструкцию ограничителей перенапряжений, но порождает ряд новых проблем, связанных с необходимостью обеспечения падежной работы аппарата при рабочем напряжении. 29 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 Бенгт, Г. О. Цифровые системы автоматизации и управления / Г. О. Бенгт. – СПб.: Изд-во Невский Диалект, 2001. – 557 с. 2 Свободная энциклопедия «Википедия» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Огранечитель_перенапряжения. – Дата доступа: 07.09.2021. 3 Свободная энциклопедия «Википедия» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Умные_сети_электроснабжения. – Дата доступа: 07.03.2021. 4 Школа для электрика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://electricalschool.info. – Дата доступа : 08.03.2021. 30
