Принципы проектирования ограничителей перенапряжения для линий электропередачи высокого-напряжения

1. Основной принцип работы: нелинейные характеристики напряжения-тока.

Нормальное рабочее состояние (высокое сопротивление): Под напряжением промышленной частоты удельное сопротивление резисторов ZnO достигает \\(10^{10}-10^{11}Ом·см\\). Ток утечки находится на уровне микроампер (менее 100 мкА), действуя почти как разомкнутая цепь, не мешая работе системы.

Рабочее состояние повышенного напряжения (низкое сопротивление): Когда грозовое или коммутационное перенапряжение превышаетрабочее напряжение (опорное напряжение), сопротивление резко падает более чем в десять тысяч раз. Проводящий путь с низким-сопротивлением формируется в течение наносекунд для разряда тока молнии (до десятков и сотен килоампер) и зажимаостаточное напряжениениже уровня стойкости изоляции оборудования.

Состояние восстановления (восстановление высокого сопротивления): Как только перенапряжение исчезает, резисторы автоматически возвращаются в состояние высокого-сопротивления и отключают следящий ток частоты сети. Бесщелевая структура принципиально исключает текущие проблемы.

2. Общая конструктивная схема линии-типа MOA

2.1 Основной компонент: стопка резисторов ZnO

Состав материала: Оксид цинка составляет более 90% сырья, в смеси с висмутом, сурьмой, кобальтом и оксидами других металлов. Смесь спекается при температуре выше 1000 градусов с образованием поликристаллической керамики, зернограничные слои которой обеспечивают нелинейные-электрические свойства.

Форма сборки: Несколько резисторов соединены последовательно для удовлетворения требований к напряжению различных классов мощности (например, в системах 220 кВ используются сотни резисторов). Много-параллельное соединение повышает устойчивость к большим токам и способность поглощать энергию.

Электроды: На обоих концах установлены металлические электроды из алюминия или меди для обеспечения низкого контактного сопротивления и равномерного распределения тока.

2.2 Изоляция и система уплотнения

Композитный корпус: Изготовлен из силиконового каучука или этиленпропилендиенового мономера (EPDM), обладает превосходной устойчивостью к загрязнению, старению и механической прочности. Обеспечивает внешнюю изоляцию и общую герметизацию.

Внутренняя изоляция: Обмоточные цилиндры из стекловолокна или стержни с изоляцией из эпоксидной смолы поддерживают стойки резисторов, сохраняют соосность и выдерживают механические нагрузки.

Уплотнительная конструкция: Металлические торцевые крышки на обоих концах в сочетании с резиновыми уплотнительными кольцами обеспечивают полную герметизацию, предотвращая попадание влаги и ухудшение характеристик резисторов.

2.3 Вспомогательные компоненты

Монтажная арматура: Предназначен для подвесной установки на опорах ЛЭП (подвесного или натяжного типа), обеспечивая механическую устойчивость при ветровой вибрации и токе-короткого замыкания.

Устройства мониторинга: Оснащен последовательно-подключенными мониторами тока утечки и счетчиками срабатываний для мониторинга условий старения и записи времени срабатывания.

Сортировочные кольца: устанавливается на стороне высокого-напряжения для оптимизации распределения электрического поля, подавления коронного разряда и уменьшения частичных разрядов.

3. Основные параметры конструкции и критерии выбора.

3.1 Расчет электрических параметров

Номинальное напряжение (\\(U_r\\)): Должно быть не ниже максимального рабочего напряжения системы во избежание непреднамеренного срабатывания и контроля тока утечки при нормальной работе.

Опорное напряжение (\\(U_{ref}\\)): Напряжение измерено при токе 1 мА. В норме \\(U_r ≈ 0,75-0,8U_{ref}\\), что определяет пороговое напряжение активации.

Остаточное напряжение (\\(U_{res}\\)): Остаточное напряжение при грозовом импульсе (8/20 мкс) не должно превышать \\(2,2U_r\\), а при импульсе переключения не должно превышать \\(1,8U_r\\), чтобы гарантировать достаточный запас защиты.

Энергостойкость: Разработан с учетом максимального тока молнии линий электропередачи (например, 100 кА) и энергии, генерируемой коммутационными перенапряжениями, для предотвращения выхода из-под термического разгона.

3.2 Тепловой расчет

Теплоемкость резисторов: Плотность энергии одного резистора не менее 200 Дж/см³. Параллельная компоновка с несколькими-столбцами эффективно рассеивает тепло.

Путь отвода тепла: Тепло передается от резисторов к электродам и торцевым крышкам, а затем рассеивается в окружающий воздух посредством естественной конвекции. Композитный корпус спроектирован с низким термическим сопротивлением, чтобы избежать локального перегрева и ускоренного старения.

3.3 Согласование изоляции

Согласование с линейными изоляторами: Остаточное напряжение разрядника должно быть ниже, чем напряжение пробоя линейных изоляторов, чтобы разрядник работал преимущественно для защиты изоляторов.

Поправка на высоту и загрязнение.: Для зон на высоте более 1000 метров над уровнем моря расстояние внешней изоляции увеличивается. Для сильно загрязненных зон применяются корпуса с большей длиной пути утечки.

4. Преимущества по сравнению с традиционными ограничителями перенапряжения

Бесщелевая структура: устраняет последовательные искровые промежутки, обеспечивая скорость срабатывания на уровне наносекунд-, отсутствие сопровождения тока и отсутствие риска пробоя или старения промежутка, что обеспечивает более высокую надежность.

Превосходная нелинейность-линейность: Гораздо более высокий коэффициент нелинейности резисторов ZnO обеспечивает меньший ток утечки и более точный контроль остаточного напряжения для повышения эффективности защиты.

Композитный корпус: Заменяет традиционные фарфоровые корпуса, обладает такими преимуществами, как устойчивость к загрязнению, устойчивость к разрушению и легкий вес, подходит для подвесной установки на линиях электропередачи.

5. Краткое изложение основных концепций проектирования