СТРИМЕР: Молниезащита ВЛ 6-500 кВ

Разработка молниезащитных устройств для ВЛ классов напряжения свыше 10 кВ на основе применения конструктивных решений, использованных для реализации технологии длинно-искрового разряда, технически крайне затруднительна по ряду объективных причин. Для обеспечения необходимой дугогасящей способности РДИ требуется слишком большая их длина, что становится нерациональным.

В основу разработок молниезащитных разрядников на более высокие классы напряжений в НПО «Стример» был заложен принцип разбиения канала разряда на множество частей. При этом дугогасительные возможности разрядника должны определяться, главным образом, конструктивно-геометрическими параметрами его, так называемой, мультиэлектродной системы (МЭС), состоящей из большого числа электродов с малыми искровыми промежутками.

Проведенные многочисленные теоретические и экспериментальные исследования подтвердили возможность создания разрядников на базе данного принципа на более высокие классы напряжения с приемлемыми габаритами.

В результате интенсивных работ по усовершенствованию разрядников на основе МЭС была изобретена и освоена технология применения мультикамерных систем (МКС) для создания устройств молниезащиты на все классы напряжения от 6 до 500 кВ. Разработанные по этой технологии в НПО «Стример» молниезащитные устройства образуют два принципиально новых вида:

• разрядникимультикамерные (РМК)
• изоляторы-разрядники мультикамерные (ИРМК).

Мультикамерная система

Врезультате интенсивных работ по усовершенствованию систем молниезащиты ОАО «НПО «Стример» удалось разработать разрядники на класы напряжения 53Вк ивыше стак называемой мультикамерной системой (МКС). Предложен также принципиально новый аппарат: изолятор-разрядник смультикамерной системой (ИРМК), который сочетает всебе свойства изолятора иразрядника одновременно. При использовании ИРМК возможно обеспечить грозозащиту ВЛ любого класса напряжения, так как с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде и соответственно увеличивается номинальное напряжение идугогасящая способность гирлянды из ИР.
Возможны различные конструкции изоляторов со свойствами разрядников. Основу ИРМК составляют обычные массово выпускаемые изоляторы (стеклянные, фарфоровые или полимерные), на которых специальным образом установлена МКС. Причём установка МКС не приводит кухудшению изоляционных свойств изолятора, но благодаря ей он приобретает свойства разрядника. Поэтому в случае применения ИРМК на ВЛ не требуется применения грозозащитного троса. При этом снижается высота, масса и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом и обеспечивается надёжная грозозащита линий, т.е. резко сокращается число отключений линий и уменьшаются ущербы от недоотпуска электроэнергии и эксплуатационные издержки.
Основным элементом мультикамерных разрядников (РМК) в том числе и ИРМК является мультикамерная система (МКС) (рис. 11). Она состоит из большого числа электродов, вмонтированных в профиль из силиконовой
резины. Между электродами выполнены отверстия, выходящие наружу профиля. Эти отверстия образуют миниатюрные газоразрядные камеры. При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения пробиваются промежутки между электродами. Благодаря тому, что разряды между промежуточными электродами происходят внутри камер, объёмы которых весьма малы, при расширении канала создаётся высокое давление, под действием которого каналы искровых разрядов между электродами перемещается к поверхности изоляционного тела и далее — выдуваются наружу в окружающий разрядник воздух. Вследствие возникающего
дутья и удлинения каналов между электродами каналы разрядов охлаждаются, суммарное сопротивление всех каналов увеличивается, те общее сопротивление разрядника возрастает, и происходит ограничение импульсного тока грозового перенапряжения.
По окончании импульса грозового перенапряжения к разряднику остаётся приложенным напряжение промышленной частоты. Как показали проведённые исследования, в разрядниках с МКС возможны два типа гашения искрового разряда:

1. при переходе сопровождающего тока 50 Гц через ноль (в дальнейшем такой тип гашения называется «гашением в нуле»);
2. при снижении мгновенного значения импульса грозового перенапряжения до определённого значения большего или равного мгновенному значению напряжения промышленной частоты, т.е. осуществляется гашение тока импульса грозового перенапряжения без сопровождающего тока сети (в дальнейшем такой тип гашения называется «гашением в импульсе»).

Механизм гашения искрового разряда в МКС напоминает механизм гашения дугового разряда в трубчатом разряднике. Существенное отличие состоит в том, что внутри трубчатого разрядника достаточно долго (до 10 мс, т.е. до 10 000 мкс) горит дуга. Она выжигает стенки газогенерирующей трубки, и образовавшиеся от теплового разрушения газы выдувают канал разряда наружу. В случае «гашения в нуле» МКС дуга начинается в дугогасящих камерах, а затем большая её часть выдувается наружу в открытое пространство. Материал камер не газогенерирующий, дутьё образуется просто за счёт расширения канала разряда, поэтому эрозия стенок камер незначительная.
В случае «гашения в импульсе», длительность которого составляет микросекунды или десятки микросекунд, эрозии практически нет даже после многократных срабатываний МКС.

РМК-10-И-IV-УХЛ1

Разрядник предназначен для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищенными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и рассчитан для работы на открытом воздухе при температуре от минус 60° Сдо плюс 50° Св течение 30-и лет.
Основными элементами РМК-10-И (см. рис. 12) являются: мультикамерная система (МКС), несущий стеклопластиковый стержень и узел крепления разрядника к стержню изолятора. Разрядник устанавливается на металлический стержень изолятора с искровым воздушным промежутком S=3-6 см между верхним концом разрядника и проводом. При воздействии грозового перенапряжения сначала пробивается искровой воздушный промежуток, а затем — МКС разрядника.
Разрядники устанавливаются по одному на опору с чередованием фаз. При этом токи промышленной частоты, сопровождающие многофазные замыкания, вызванные грозовыми перенапряжениями, протекают по контурам, включающим в себя сопротивления заземления опор. Эффективность гашения сопровождающих токов тем выше, чем меньше они по величине, а наличие сопротивлений заземления опор в контуре замыкания благоприятным образом влияет на снижение величины сопровождающих токов. Основные технические характеристики разрядника приведены в табл.

РМК-20-И-IV-УХЛ1

Разрядник предназначен для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 20 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и рассчитан для работы на открытом воздухе при температуре от минус 60° С до плюс 50° Св течение 30-и лет.
При применении на ВЛ 10кВ разрядник защищает ВЛ также от прямых ударов молнии.
Основными элементами РМК-20-И (см. рис. 13)
стеклопластиковый стержень и узел крепления разрядника к стержню изолятора. Разрядник устанавливается на металлический стержень изолятора с искровым воздушным промежутком S=3-6 см между верхним концом разрядника и проводом. При воздействии грозового перенапряжения сначала пробивается искровой воздушный промежуток, а затем — МКС разрядника.
Для защиты от индуктированных перенапряжений разрядники устанавливаются по одному на опору с чередованием фаз; для защиты от ПУМ необходимо устанавливать разрядники на все фазы на каждую опору. При этом токи промышленной частоты, сопровождающие многофазные замыкания, вызванные грозовыми перенапряжениями, протекают по контурам, включающим в себя сопротивления заземления опор. Эффективность гашения сопровождающих токов тем выше, чем меньше они по величине, а наличие сопротивлений заземления опор в контуре замыкания благоприятным образом влияет на снижение величины сопровождающих токов.

РМК-35-IV-УХЛ1

Импульсное разрядное напряжение линейной изоляции ВЛ 35 кВ составляет примерно 230-250 кВ. Индуктированные перенапряжения редко превышают этот уровень. Поэтому грозовые отключения из-за индуктированных перенапряжений происходят относительно редко. Вследствие значительной высоты опор ВЛ 35 кВ подвержены частым прямым ударам молнии (ПУМ). Тросовая грозозащита для ВЛ 35 кВ неэффективна, т. к. при ПУМ в трос происходит обратное перекрытие с опоры на провод вследствие относительно низкого уровня линейной изоляции, что приводит котключению ВЛ.
Для обеспечения необходимой грозоупорности возможно применение нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН), однако стоимость такого технического решения чрезвычайно велика, поскольку при отсутствии грозозащитного троса для обеспечения надёжной молниезащиты необходимо устанавливать ОПН параллельно каждой гирлянде ВЛ, т. е. по три аппарата на опору. При этом ОПН должен обеспечивать пропускание грозового тока порядка 100 кА. Поэтому стоимость такого аппарата оказывается весьма высокой, и вся система молниезащиты является исключительно дорогой.
Молниезащита ВЛ 35 кВ может быть выполнена надёжно и значительно дешевле, чем в случае применения ОПН, при помощи разработанных в последние годы в ОАО «НПО Стример» мультикамерных разрядников (РМК).

Несущий элемент (рис. 14) выполнен в виде отрезка кабеля из полиэтилена со стеклопластиковым сердечником и металлическими оконцевателями. Наружный диаметр кабеля 50 мм. Кабель имеет два слоя: толстый слой из изоляционного полиэтилена инаружный слой толщиной 2м из светостабилизированного трекингостойкого полиэтилена. Стеклопластиковый стержень диаметром 8 мм запрессован в оконцеватели. Благодаря этому обеспечивается высокая механическая прочность разрядника. МКС устанавливается на несущий элемент по спирали.

Всостав РМК входит МКС, несущий элемент, на котором она закреплена, и полимерный изолятор с разрядными стержнями, обеспечивающими искровой воздушный промежуток (см. рис.15 и 16 ).

При воздействии перенапряжения на провод ВЛ, например при ПУМ (см. рис. 16), сначала срабатывает искровой воздушный промежуток между разрядными стержнями, установленными на полимерном изоляторе, а затем -МКС. Ток грозового перенапряжения отводится по проводнику заземления разрядника на опору, идалее — в землю. Благодаря высоким разрядогасящим характеристикам МКС ток гасится либо «в импульсе», либо «в нуле», и линия электропередачи продолжает работу без отключения. Основные технические характеристики РМК на 35 кВ приведены в табл. 5.

ИРМК-20-IV-УХЛ1

Изоляторы-разрядники являются принципиально новыми устройствами, сочетающими в себе одновременно свойства и изолятора, и разрядника. Их применение позволяет защитить воздушные линии электропередачи напряжением 6-220 кВ (и выше) с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений, прямых ударов молнии иих последствий.

Возможны различные конструкции изоляторов со свойствами разрядников. Основу ИРМК составляют обычные массово выпускаемые изоляторы (стеклянные, фарфоровые или полимерные), на которых специальным образом установлена мультикамерная система (МКС). Причём установка МКС не приводит к ухудшению изоляционных свойств изолятора, но благодаря ей он приобретает свойства разрядника.

На рис. 17 показан изолятор-разрядник мультикамерный на основе штыревого изолятора SDI 37 — ИРМК-20- IV-УХЛ1. МКС установлена по периметру одного из рёбер изолятора. Она занимает примерно три четверти окружности ребра. Кодному концу МКС подходит верхний подводящий электрод, закрепленный на изоляторе, а к другому — нижний электрод, закрепленный на штыре изолятора. Между подводящими электродами и концами МКС имеются искровые воздушные промежутки.
При воздействии перенапряжения на ИРМК сначала пробиваются искровые воздушные промежутки, а затем — МКС. Ток грозового перенапряжения протекает от верхнего подводящего электрода через искровой канал воздушного промежутка, затем — по МКС, и далее — также через канал разряда воздушного промежутка, к нижнему подводящему электроду.

ИРМК-U120AD-IV-УХЛ1

ИРМК-U120AD-IV-УХЛ1 является принципиально новым устройством, сочетающими в себе одновременно свойства и изолятора, и разрядника. Его применение позволяет защитить воздушные линии электропередачи напряжением 35-500 кВ от прямых ударов молнии и от индуктированных грозовых воздействий и их последствий.
При использовании ИРМК вместо стандартных изоляторов возможно обеспечить молниезащиту ВЛ любого класса напряжения, так как с увеличением класса напряжения увеличивается число изоляторов в гирлянде, и соответственно увеличивается номинальное напряжение и дугогасящая способность гирлянды из ИРМК.
Применение ИРМК на ВЛ позволяет отказаться от грозозащитного троса. При этом снижается высота, масса и стоимость опор, а также стоимость всей ВЛ в целом, но обеспечивается её надёжная молниезащита.
Основу изолятора-разрядника составляет массово выпускаемый стеклянный тарельчатый изолятор U120AD, на который специальным образом установлены мультикамерная система (МКС) и электроды. Такие дополнения не приводят к ухудшению изоляционных свойств изолятора, но благодаря им он приобретает свойства разрядника.
На рис. 18 показан общий вид изолятора-разрядника. МКС установлена по периметру ребра изолятора. Она занимает примерно пять шестых окружности ребра, оставшаяся часть которого занята профилем из силиконовой резины без электродов. От одного из концов МКС отходит верхний подводящий электрод, а от другого — нижний отводящий электрод.
При воздействии перенапряжения на ИРМК сначала пробиваются искровые воздушные промежутки, a затем- МКС. Ток грозового перенапряжения протекает от верхнего подводящего электрода через искровой канал воздушного промежутка, затем — по МКС, и далее — также через канал разряда воздушного промежутка, к нижнему отводящему электроду (см. рис. 19)

Сравнительные характеристики длинно-искровых разрядников

Сравнительная таблица грозозащитного оборудования