EGLA разрядники
Разрядники типа металл-оксид с последовательными зазорами установленные высоковольтной линии электропередач
Разрядник типа металл-оксид с последовательными зазорами (EGLA) оптимизирует положительные характеристики старейшего компонента в конструкции разрядников - последовательного разрядника – и новейшего компонента в конструкции разрядников, под названием металло-оксидный варистор (MOV). Такое сочетание позволяет существенно улучшить защиту и надежность линии для энергопредприятий. Однако вследствие отрицательного мнения об использовании разрядников последовательно с предыдущими разрядниками на основе карбида кремния (SiC), иногда возникают проблемы с восприятием EGLA.
Цель данной статьи – объяснить различие между этими двумя технологиями и подчеркнуть основные характеристики, которые делают данную конструкцию очень привлекательной с точки зрения защиты линии.
Рисунок 2: Основные компоненты EGLA.
Название разрядник типа металл-оксид с последовательными зазорами исходит из IEC TC37. Около 2001 года, национальные комитеты Японии и Франции представили разрядники типа металл-оксид с последовательными зазорами как новые разработки для MT4. После нескольких конференций, аббревиатура EGLA была одобрена для этого типа разрядников. Также был добавлен термин ‘линии’, потому что такие разрядники чаще всего используются для защиты высоковольтных линий передачи и распределительных линий. С апреля 2008, IEC TC37 MT4 активно работает над стандартами проверок разрядников этой конструкции.
EGLA широко применяются во всем мире в самых разных линиях напряжения, особенно в Японии, Корее, Китае, Франции, Италии и Бразилии.
Рисунок 3: Пример разрядника 1960-х
SiC разрядник.
Чаще всего разрядники такого типа используют для защиты линий. При использовании на линии передачи, они могут быть рассчитаны так, чтобы срабатывать не при переключениях, а только при разряде молнии.
При использовании на экранированной линии (с верхним заземленным проводом) и там, где разрядники используются в основном для смягчения обратного перекрытия изоляторов (с опоры на провода), они могут быть очень малого размера, так как здесь требования к ним не такие жесткие, как в неэкранированных линиях. При использовании в неэкранированных линиях их размеры значительно больше, чтобы они смогли пропустить 100 процентов тока молнии. В любом случае размеры разрядников зависят от области их применения.
Маловероятно, что эти разрядники когда-нибудь смогут использоваться для защиты оборудования, если, конечно, не произойдет прорыва в технологии разрядников, который разрешит проблему пробоя на переднем фронте импульса. Этот вопрос, конечно, неприменим для защиты самовосстанавливающейся изоляции линии.
EGLA содержит два основных компонента: MOR и искровой промежуток. MOR это нелинейный металл-оксидный резистор, имеющий примерно такие же характеристики, что и стандартный MOV разрядник. Искровой промежуток – это обычно единичный воздушный промежуток, включенный последовательно.
На рис. 4 показано старение искрового промежутка прежнего поколения. В этом примере промежуток был включен последовательно с 80 другими промежутками на 500 вольт каждый.
Рис. 4: Износ искрового промежутка 500 В SiC разрядника.
Важно заметить, что каждый компонент EGLA существенно отличается от прежних разрядников.
Секция разрядников прежнего поколения SiC состояла из сотен компонентов, включая много последовательных искрового промежутков, параллельных резисторов, катушек индуктивности и т.д. Это были высокотехнологичные элементы, всегда заключенные в корпус. В отличие от них, разрядники EGLA имеют только два вывода и ничего более.
В конструкции разрядников SiC прежнего поколения секция разрядников функционировала как переключатель, который включался в момент разряда и затем выключался, когда напряжение на нем становилось близко к нулю. В этом смысле разрядник использовался как для включения, так и для выключения разрядника.
Разрядник EGLA, наоборот, используется только для начала операции – не для окончания. Вместо этого, MOR берет на себя функцию прекращения разряда. Благодаря своим превосходным нелинейным характеристикам, MOR преодолевает очень негативное свойство последовательного разрядника, известное как следование старению тока вследствие изменения частоты питающего тока.
В старых SiC разрядниках, MOR состоял из блоков из карбида кремния, которые использовались для ограничения тока питающей частоты, следующего за разрядом через разрядник после импульса. Эти ограниченные уровни тока защищают разрядники от чрезмерного повреждения и также делают возможным закончить операцию при понижении напряжения до низкого уровня. Однако они также позволяют пропускать через разрядники достаточно большие токи, что вызывает износ разрядников и постепенное изменение их характеристик.
Проверка 80 других разрядников на 500 вольт каждый. Этот износ наблюдался 80 раз в 40 кВ разрядниках и происходил исключительно из-за остаточного тока в течение всего срока службы разрядников. Такой износ, однако, не появляется в новых поколениях EGLA-разрядников, так как через них проходит только ток молнии. Следовательно, эффективность разрядников EGLA не повлияет на их срок службы в связи с тем, что их MOR-компоненты не подвергаются воздействию остаточных токов, как прежние разрядники с SiC- варисторами.
1. Меньшая длина пути тока утечки MOR
Так как MOR включен последовательно с разрядником, падение напряжения на нем в установившемся режиме близко к нулю. Поэтому его корпус не нуждается в столь жестких требованиях, как у стандартных разрядников, и длина пути тока утечки MOR может быть уменьшена. Так как изоляция MOR начинает действовать только через 100 микросекунд разряда, никакие навесы совершенно не нужны.
Другим существенным преимуществом последовательного разрядника является то, что опорное напряжение MOR может быть на 20-30 процентов меньше, чем у разрядников прямого соединения. Опорное напряжение должно быть все же достаточно большим, чтобы осуществлять свои функции отключения после прохождения разряда. Это означает, что включение напряжения MOR может быть лишь на несколько процентов выше напряжения системы, это будет наблюдаться всякий раз при коротком замыкании разрядника во время разряда. Меньшее опорное напряжение позволяет уменьшить число дисков MOV или по крайней мере сократить расход материалов.
Вторым преимуществом меньшего опорного напряжения является то, что при уменьшении пакета дисков конечное остаточное напряжение будет меньше. Это означает, что давняя и трудная цель достижения минимально возможного остаточного напряжения на единицу длины MOV диска становится ближе. Без ущерба для общей величины защиты, могут быть использованы диски с более высоким остаточным напряжением на единицу длины.
3. Меньший объем корпуса
Благодаря на 30 процентов меньшей длине пути тока утечки и на 30 процентов меньшему расходу материалов, объем корпуса может быть сокращен на 50 процентов, по сравнению со стандартными разрядниками без последовательных зазоров.
4. Меньший износ корпуса
Другим положительным аспектом включения разрядника последовательно с корпусом MOR является то, что старение корпуса из-за электрических разрядов становится несущественным. В связи с тем, что нет резистивного пути для дугового разряда по поверхности корпуса, износ практически ничтожен. Более того, теперь может быть уменьшена толщина корпуса.
5.Меньший износ материала MOV
Металло-оксидные блоки, применяющиеся в новейшем поколении разрядников, практически не поддаются износу благодаря современной технологии их изготовления. Хотя их производство относительно дорого. Возможно, варисторные блоки для EGLA смогут эффективно повлиять на их стоимость.
6.Нулевые потери мощности
Эти столь желанные параметры высоковольтного оборудования достигнуты в EGLA. У разрядников типа металл-оксид с последовательными зазорами происходят как внутренние, так и внешние утечки тока. Даже если потери невелики, при наличии в обслуживании миллионов разрядников сумма этих потерь будет внушительной.
7.Обработка энергии
Так как MOR включен последовательно с разрядником, в установившемся режиме напряжение на нем отсутствует. Это означает, что при мгновенном разряде в EGLA, MOR не требуется выдерживать все напряжение системы, как в случае разрядников типа металл-оксид с последовательными зазорами. Так как мощного воздействия напряжения на MOR нет, то и нет необходимости добиваться такой термостабильности, как в конструкциях без разрядников. Количество обрабатываемой энергии определяется только способностью выдержать единичный импульс, а не пределом термостабильности. Отсюда следует, что, если не учитывать термостабильность, в данной реализации можно применять диски меньшего размера.
Так как, объем обрабатываемой энергии для EGLA не является функцией адсорбированных джоулей (как для разрядников типа металл-оксид с последовательными зазорами), то можно рассматривать только реальные меры измерения количества обрабатываемой энергии путем передачи заряда в кулонах или амперсекундах.
8. Нечувствительность к броскам на линии
Историческим недостатком разрядников MOV без разрядников была их чувствительность к мощным колебаниям частоты. Это было не так существенно для раннего поколения SiC разрядников, потому что их внутренние разрядники были часто настроены на выключение при превышении напряжения в системе больше, чем в полтора раза. Эта способность снова доступна для разрядников типа EGLA и, следовательно, настройка разрядника может сделать их нечувствительными к большинству бросков напряжения на электрической линии.
9. Селекция бросков напряжения
Уникальным и полезным свойством конструкции EGLA является то, что они не реагируют на броски напряжения при переключениях, а только на разряд молнии. Такого никогда не было в прежних конструкциях разрядников (за исключением конструкций с внешними разрядниками). Так как исключительно разрядник ответственен за свою работу, то только величина зазора разрядника определяет, при каком напряжении это происходит. Если он настроен на уровень чуть выше наибольшего броска при переключениях, он сработает только при разряде молнии. Это влияет, в свою очередь, и на планирование тестовых проверок, так как теперь ни проверки по броскам переключений, ни тесты типа TLD не нужны.
Рисунок 5: Использование разъединителя заземления (GLD) в качестве индикатора неисправности для EGLA.
10. Режим открытого сбоя
В связи с тем, что внешний разрядник действует как изолятор разрядника от системы после неисправности, вероятность постоянного отключения разрядника из-за кратковременных сбоев практически равна нулю. Действительно, при кратковременном сбое MOR системы возле неисправного блока будет ограничен настройкой уровня искрового разряда EGLA разрядника. Однако это не создает проблем при гарантированном открытом сбое, что означает отсутствие постоянного отключения системы из-за неисправности или перегрузки разрядника. В то же время, этот небольшой вопрос имеет решение (см. ниже).
Другим преимуществом этого режима открытого сбоя является то, что никакие изолирующие подвески для этого разрядника не требуются. Изолирующие подвески применялись в отказоустойчивых полимерных разрядник ах. Когда такой разрядник сбоит, он по сути сбоит кратковременно. Это означает, что без разъединителей какого-либо типа и изолирующих подвесок произойдет нежелательное отключение системы.
11. Воздействие на окружающую среду
Без сомнения, разрядники EGLA являются наиболее безвредными для окружающей среды. Нулевые потери мощности, меньший расход материалов, большой срок службы, меньшая опасность внезапных отключений и, возможно, меньшая стоимость производства – все это позволяет считать эти разрядники самыми ‘зелеными’ из доступных на сегодняшний день.
12. Вес
Переход от SiC разрядников к MOV разрядникам в конце 80-х годов привел к значительному уменьшению веса и размера этих компонентов. Конструкция EGLA позволяет добиться еще большего снижения веса, хотя и не такого значительного. Это уменьшение веса разрядников позволяет менять их конфигурацию, что в прошлом не практиковалось, и предоставляет для этого неограниченные возможности.
13.Ожидаемая продолжительность жизни
Если посмотреть на современные воздушные сети в США, можно с удивлением обнаружить на распределительных линиях аварийные разрядники, установленные более 50 лет назад. Причем, что интересно, почти все эти ‘древние’ разрядники имеют внешние разрядники и представляют эру ‘исключающих разрядников’, когда внешние разрядники были необходимы. Похоже, что новое поколение SiC разрядников прямого соединения в системах распределения будет заменено на MOV разрядники. Хотя аппараты с внешними разрядниками видимо еще будут использоваться. Вследствие относительно низкой диэлектрической нагрузки на материалы, ожидаемое время жизни EGLA должно быть очень большим – сравнимым с временем жизни изоляторов.
На два вопроса необходимо обратить дальнейшее внимание.
Без разъединительных устройств сложно найти неисправный разрядник. Возможным решением является встроенный индикатор неисправностей. Пример этого показан на рисунке 6. В такой конфигурации индикаторное устройство активируется (как все современные разъединители) током ошибки при перегрузке EGLA и часть или все электроды разрядника могут отвалиться или упасть на землю.
Второй вопрос, который требует разрешения для данного типа разрядников, касается настройки разрядника. Все инструкции EGLA требуют производить настройку разрядника на месте. При этом вся ответственность возлагается не на производителя, а на настройщика. К счастью, размещение разрядника для защиты линии имеет относительно широкий диапазон и не влияет на исполнение системы. Все же предпочтительнее, чтобы размещение осуществлялось производителем.
Известно, что использование разрядников линии может облегчить или исключить отключение линий из-за разрядов молнии. Также известно, что при расчете надежности необходимо учитывать и надежность разрядников. Естественно, что идеальными будут разрядники с нулевой вероятностью выхода из строя. Именно это предлагают разрядники EGLA.
Количество разрядников также влияет на надежность системы. Обычно, чем больше разрядников, тем больше вероятность отключений из-за их перегрузки. Однако в случае с EGLA, с нулевой вероятностью ложных отключений, количество установленных разрядников не влияет на надежность системы в целом.
Разрядники типа металл-оксид с последовательными зазорами установленные на воздушной линии 330 кВ.
Так как производство разрядников EGLA, благодаря меньшему количеству деталей и меньшему расходу материалов, дешевле, чем разрядников типа металл-оксид с последовательными зазорами (как утверждается в данном обзоре), то и стоимость повышения надежности становится весьма привлекательной.
Выключатели EGLA очевидно являются шагом вперед в непрестанном поиске способов защиты распределительных линий и линий передачи от ударов молнии. Имея хороший экологический потенциал, меньшую стоимость при повышенной надежности, большую долговечность и меньшую стоимость жизненного цикла, можно рассчитывать, что они станут разрядниками линий будущего.