Einführung
Überspannungsableiter werden eingesetzt, um Hochspannungsausrüstung in Umspannwerken, wie Transformatoren, Leistungsschalter und Durchführungen, vor den Auswirkungen von Blitz- und Schaltüberspannungen zu schützen. Überspannungsableiter werden in der Nähe und parallel zur zu schützenden Ausrüstung installiert. Ihr Zweck ist es, die Überspannungsenergie sicher zur Erde abzuleiten und sicherzustellen, dass die resultierende Spannung an den Klemmen niedrig genug bleibt, um die Isolierung der zugehörigen Geräte vor den Auswirkungen von Überspannungen nicht zu beschädigen.
Überspannungsableiter schützen Leistungstransformator-Durchführungen
Fast alle in modernen Hochspannungsnetzen verwendeten Überspannungsableiter sind vom Typ lückenloser Metalloxid (MO) Varistor; dieser Artikel konzentriert sich auf diesen Typ.
Isolationskoordination und Überspannungsableiter
Isolationskoordination wird definiert als die Auswahl der dielektrischen Festigkeit von Geräten in Bezug auf die verschiedenen Arten von Überspannungen, die im System auftreten können. Überspannungsableiter bieten eine unverzichtbare Unterstützung für die wirtschaftliche Isolationskoordination in elektrischen Energiesystemen. Dies wird in der untenstehenden Abbildung veranschaulicht, wo in Abwesenheit von Überspannungsschutzgeräten die Ausrüstung den hohen dielektrischen Belastungen durch Blitz- und Schaltüberspannungen nicht standhalten kann. In diesem Bereich spielen die Überspannungsableiter ihre Rolle im System, indem sie die Spannung auf einem Niveau halten, das unterhalb der Durchschlagspannung (der höchsten Spannung, die auf ein Gerät angewendet werden kann, ohne dass es Schaden nimmt) der Ausrüstung liegt, mit einem angemessenen Sicherheitsabstand. Auf der anderen Seite des Spektrums können Überspannungsableiter oszillatorische Netzfrequenz-temporäre Überspannungen (TOV) nicht begrenzen und müssen daher so ausgelegt sein, dass sie solchen temporären Überspannungen zusammen mit der maximalen Betriebsspannung des Systems standhalten können, ohne Schaden zu nehmen.
Rolle von Überspannungsableitern in der Isolationskoordination von Energiesystemen
Als interessanter Punkt sei angemerkt, dass TOVs in einem Energiesystem durch geschaltete reaktive Kompensation (wie durch einen Shunt-Reaktor) oder durch den Einsatz von flexiblen Wechselstromübertragung (FACT)-Geräten (wie SVC und STATCOM) begrenzt werden.
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Konstruktion und Hauptkomponenten
Im Herzen der Überspannungsableitereinheit befindet sich die MO-Varistorsäule, die ihren aktiven Teil bildet. Die Säule besteht aus MO-Varistorblöcken, die übereinander gestapelt sind. Diese Blöcke bestehen aus Zinkoxid (ZnO) und anderen Metallpulvern, die miteinander vermischt und dann zu zylindrischen Scheiben gepresst werden. Der Durchmesser jeder Scheibe bestimmt die Energiehandhabungsfähigkeit des Überspannungsableiters. Ein Durchmesser von 100 mm (3,9 Zoll) oder mehr ist normalerweise für Hochspannungssysteme erforderlich.
Die erforderliche TOV-Beständigkeit (bestimmt durch die Nennspannung des Ableiters) sowie die gewünschten Schalt- und Blitzimpuls-Schutzpegel steuern die Gesamthöhe der MO-Varistorsäule. In den meisten Fällen ist jedoch das Porzellangehäuse des Überspannungsableiters aus dielektrischen Gründen (Abstand und Kriechstrecke Anforderungen) erheblich länger ausgelegt und wird nicht durch die Höhe des aktiven Teils bestimmt. Infolgedessen wird die Säule der MO-Varistoren mit Hilfe von Metallabstandshaltern im Gehäuse der Ableitereinheit installiert. Die Abstandshalter bestehen aus Aluminiumrohren mit Endabdeckungen, um den Kontaktdruck gleichmäßig zu verteilen.
Mehrere Stützstangen und Halteplatten aus glasfaserverstärktem Kunststoff (FRP) umgeben die MO-Varistorsäule in Form eines Käfigs; der Käfig sichert mechanisch den internen aktiven Teil. Am oberen Ende des Ableiters sorgt eine Druckfeder für den notwendigen axialen Druck, um den Stapel der MO-Varistoren zusammenzupressen. Flansche sind an beiden Enden des Porzellangehäuses des Überspannungsableiters zementiert; die Flansche werden normalerweise aus Aluminium hergestellt und umschließen die Dichtungsanordnung.
In Hochspannungssystemen werden Überspannungsableiter nicht direkt geerdet, sondern Überwachungsgeräte in Reihe mit dem Ableiter angeschlossen. In solchen Fällen wird der untere Flansch des Überspannungsableiters mit isolierenden Füßen installiert und eine Erdungsverbindung (Verbindung zum Erdboden) erfolgt über das Überwachungsgerät.
Querschnittsansicht eines Porzellan-umhüllten MO-Überspannungsableiters
Das Dichtungssystem ist eine der kritischsten Komponenten eines Überspannungsableiters. Erstens sollte es das Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen in das Gehäuse des Überspannungsableiters verhindern. Zweitens sollte es als schnell arbeitendes Druckentlastungsgerät (PRD) im Falle einer Überlastung des Ableiters fungieren, die zu einem schnellen Druckaufbau im Gehäuse des Überspannungsableiters führen kann. Schließlich sollte es einen gut etablierten Kontaktpunkt für den Stromtransfer vom externen Anschlussklemmen des Überspannungsableiters zur MO-Varistorsäule bieten.
Das Dichtungssystem eines Überspannungsableiters besteht aus einem synthetischen Dichtring und einer Druckentlastungsmembran, die beide zweimal an beiden Enden des Ableiterkörpers installiert sind. Die sehr dünne Membran (nur wenige Zehntel Millimeter dick oder Tausendstel Zoll) besteht aus Nickel oder hochwertigem Stahl. Die Membran wird mittels eines Spannrings, der an den Flanschkörper geschraubt ist, gegen den Dichtring gedrückt.
Im Falle einer Überlastung des Ableiters entsteht ein Lichtbogen zwischen den beiden Flanschen im Gehäuse. Die thermische Energie dieses Lichtbogens (der den vollen Kurzschlussstrom des Netzwerks trägt) führt zu einem schnellen Druckaufbau im Überspannungsableiter. Der resultierende Druck wird durch die Entlastungsmembran abgebaut, wodurch ein katastrophales Versagen des Ableiters und mögliche Schäden in der Umgebung vermieden werden. Heiße Gase, die aufgrund der Überlastung im Gehäuse des Ableiters entstehen, werden durch einen der beiden Entlüftungsöffnungen geleitet. Außerhalb des Überspannungsableiters treffen die Gasströme aufeinander, wodurch der Lichtbogen, der im Gehäuse brannte, verschoben (kommutiert) wird und außerhalb des Ableiters weiter brennt, bis der Fehler behoben ist.
Bei höheren Spannungen besteht ein vollständiger Überspannungsableiter aufgrund von Isolationsanforderungen und wirtschaftlichen Fertigungsgründen aus mehreren Ableitereinheiten, die in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus wird am Hochspannungsklemmen ein Spannungsverteiler installiert, um die Spannungsverteilung vom Hochspannungsende zur Erde zu steuern.
Mehrfach-Einheit Hochspannungs-Überspannungsableiter
Überwachung des Zustands von Überspannungsableitern
Moderne MO-Überspannungsableiter sind hochzuverlässige Geräte, wenn sie korrekt konfiguriert sind. Sie können eine fast wartungsfreie Lebensdauer von 30 Jahren oder mehr haben. Dennoch gibt es angesichts der hohen Kosten der Ausrüstung, die Überspannungsableiter schützen, und der schädlichen Auswirkungen von Ableiterüberlastungen gute Gründe, den Zustand von Überspannungsableitern zu überwachen.
Bei normaler Betriebsspannung weisen Überspannungsableiter einen hohen Widerstand auf, sodass sie für den größten Teil ihrer Betriebslebensdauer als Isolator fungieren. Ein solches Verhalten ist notwendig, um eine lange Lebensdauer des Ableiters sowie die Stabilität des zugehörigen elektrischen Systems zu gewährleisten. Es ist daher unerlässlich, eine Verschlechterung der Isoliereigenschaften eines Überspannungsableiters zu erkennen, bevor die Situation kritisch wird. Zwei Arten von Überwachungsgeräten, die häufig für Hochspannungs-MO-Ableiter eingesetzt werden, sind:
- Überspannungszähler, die die Anzahl der Überspannungsimpulse registrieren.
- Leckstromüberwachungsgeräte, die den durch den Ableiter fließenden Leckstrom messen.
Das grundlegende Prinzip der Verwendung von Überspannungszählern besteht darin, festzustellen, ob eine bestimmte Übertragungsleitung oder Phase des Systems eine außergewöhnlich hohe Anzahl von Überspannungen erfährt, die zum Betrieb des Ableiters führen. Darüber hinaus kann ein plötzlicher Anstieg der Überspannungszählrate auch auf einen internen Ableiterfehler hinweisen. Überspannungszähler allein liefern jedoch nur teilweise Informationen zur Zustandsüberwachung. Die meisten Überwachungsgeräte für Überspannungsableiter registrieren die Anzahl (Zählung) der Überspannungsimpulse und messen gleichzeitig den Leckstrom. Leckstrom liefert zusätzliche Informationen über die Größe der Überspannungen und deren Relevanz, sollte ein Systemüberspannungsereignis auftreten. Die Verwendung von Überspannungszählern und Leckstrommessgeräten in Kombination ermöglicht eine flexiblere Überwachung und Diagnose des Zustands des Ableiters.
Betriebsmerkmale
Die Spannungs-Strom (V-I) Charakteristik zeigt, wie sich der Widerstand eines Überspannungsableiters mit der Spannung ändert und gibt Einblicke in seinen Betrieb. Die stark nichtlineare V-I-Charakteristik des MO-Varistors macht ihn zu einem geeigneten Kandidaten für den Einsatz als Überspannungsschutz. Der Varistor ist im Wesentlichen ein variabler Widerstand, dessen Widerstand umgekehrt proportional zur angelegten Spannung ist, d.h. je höher die Spannung, desto niedriger der Widerstand. Das untenstehende Bild zeigt typische Eigenschaften eines 420 kV MO-Überspannungsableiters, der in einem 550 kV System (Phase-zu-Phase) eingesetzt wird.
Betriebsmerkmale eines Überspannungsableiters mit 420 kVrms Nennspannung
Um ein besseres Verständnis der Betriebsmerkmale eines Überspannungsableiters zu entwickeln, sind Definitionen einiger wichtiger Begriffe und Parameter erforderlich:
Maximale Systemspannung (Us)
Die höchste Phase-zu-Phase Effektivwert-Netzfrequenzspannung, die für ein gegebenes System unter normalen Bedingungen spezifiziert ist.
Kontinuierliche Betriebsspannung (Uc)
Die maximal zulässige Effektivwert-Netzfrequenzspannung, die kontinuierlich oder unbegrenzt über die Klemmen des Ableiters angelegt werden kann; dies wird manchmal auch als MCOV bezeichnet. In der Praxis wird die kontinuierliche Betriebsspannung (Uc) des Ableiters so eingestellt, dass sie größer ist als die höchste Phase-zu-Erde-Systemspannung ( ) mit einem Sicherheitsabstand von mindestens fünf Prozent.
Nennspannung (Ur)
Die maximale Effektivwert-Netzfrequenzspannung, die der Überspannungsableiter für eine bestimmte kurze Dauer (z.B. 10 oder 100 Sekunden) aushalten muss. Sie charakterisiert die Fähigkeit eines Ableiters, System-TOV zu ertragen. Wenn ein Überspannungsableiter bis zu seiner Nennspannung (Ur) und darüber hinaus belastet wird, fließt Leckstrom. Leckstrom wird als ungewollter Stromfluss zur Erde definiert. Diese Situation ist nicht erwünscht, da mit dem Fluss des Leckstroms eine proportionale Erhöhung der Betriebstemperatur des Ableiters einhergeht. Wenn dieser Zustand über die angegebene kurze Dauer hinaus anhält, steigt die Temperatur des Ableiters, bis er thermisch instabil wird, was letztendlich zum Versagen des Ableiters führen kann.
Schaltimpuls-Schutzpegel (SIPL)
Der Spitzenwert der Restklemmen-Spannung des Überspannungsableiters bei nominaler Entladung eines Schaltstromimpulses mit 30/60 µs Wellenform und einer Spitzenamplitude von 2 kA (im Falle von extra hohen Spannungssystemen).
Blitzimpuls-Schutzpegel (LIPL)
Der Spitzenwert der Restklemmen-Spannung des Überspannungsableiters bei nominaler Entladung eines Blitzstromimpulses mit 8/20 µs Wellenform und einer Spitzenamplitude von 20 kA.
Auswahl und Konfiguration von Überspannungsableitern
Die allgemeine Philosophie bei der Auswahl von Überspannungsableitern für ein bestimmtes System besteht darin, die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Ableiters mit den elektrischen Anforderungen und mechanischen Anforderungen des Systems abzustimmen. Das folgende vereinfachte Flussdiagramm zeigt die allgemeine Methode und das Verfahren zur Konfiguration eines MO-Ableiters.
Vereinfachte Auswahl von Überspannungsableitern Flussdiagramm
Die Anforderungen für eine optimale und zufriedenstellende Auswahl von Überspannungsableitern diktieren, dass Ableiter einen angemessenen Schutzabstand bieten und dass sie auch für einen stabilen Dauerbetrieb geeignet sein sollten. Ein 'angemessener Schutzabstand' bedeutet, dass die Geräteüberspannungen immer unterhalb der Durchschlagspannung des Geräts liegen, mit einem ausreichenden Sicherheitsfaktor (Sicherheitsabstand). Während 'stabiler Dauerbetrieb' die Fähigkeit des Ableiters bezeichnet, alle langfristigen, temporären oder transienten Belastungen (die durch den Systembetrieb verursacht werden können) zu bewältigen, während er während seiner gesamten Nutzungsdauer elektrisch und thermisch stabil bleibt.
Leider können sowohl der angemessene Schutzabstand als auch der stabile Dauerbetrieb nicht unabhängig voneinander erfüllt werden. Eine Verringerung des Schutzpegels des Ableiters (um einen größeren Schutzabstand zu bieten) führt zwangsläufig zu höheren elektrischen Belastungen während des Dauerbetriebs. Auch die Nennspannung des Ableiters kann nicht willkürlich erhöht werden, ohne seinen Schutzpegel zu erhöhen (was zu einer entsprechenden Verringerung des Schutzabstands führt). Daher ist ein Kompromiss erforderlich, bei dem beide Anforderungen ausgeglichen werden, um eine optimale Lösung zu finden.