Introduzione
Gli scaricatori di sovratensione sono dispositivi utilizzati per proteggere le apparecchiature ad alta tensione nelle sottostazioni, come trasformatori, interruttori e passanti, dagli effetti dei fulmini e delle sovratensioni di manovra. Gli scaricatori di sovratensione sono installati in prossimità e in parallelo con le apparecchiature da proteggere. Il loro scopo è deviare in sicurezza l'energia della sovratensione a terra e garantire che la tensione risultante ai terminali rimanga sufficientemente bassa da non danneggiare l'isolamento dei dispositivi associati dagli effetti delle sovratensioni.
Scaricatori di Sovratensione che Proteggono i Passanti del Trasformatore di Potenza
Quasi tutti gli scaricatori di sovratensione utilizzati nei moderni sistemi di potenza ad alta tensione sono del tipo varistore metallico ossido (MO) senza gap; questo articolo si concentra su questo tipo.
Coordinamento dell'Isolamento e Scaricatori di Sovratensione
Il coordinamento dell'isolamento è definito come la selezione della resistenza dielettrica delle apparecchiature in relazione ai diversi tipi di sovratensioni che possono apparire nel sistema. Gli scaricatori di sovratensione forniscono un aiuto indispensabile al coordinamento economico dell'isolamento nei sistemi di potenza elettrica. Questo è illustrato nella figura sottostante, dove in assenza di dispositivi di protezione dalle sovratensioni, le apparecchiature non possono sopportare le elevate sollecitazioni dielettriche risultanti dai fulmini e dalle sovratensioni di manovra. È in questo intervallo che gli scaricatori di sovratensione svolgono il loro ruolo nel sistema, mantenendo la tensione a un livello inferiore alla tensione di tenuta (la tensione più alta che può essere applicata a un elemento senza che subisca danni) delle apparecchiature, con un adeguato margine di sicurezza (protettivo). All'altro estremo dello spettro, gli scaricatori di sovratensione non possono limitare le sovratensioni temporanee (TOV) a frequenza di potenza oscillatoria e devono quindi essere progettati per resistere a tali sovratensioni temporanee, insieme alla tensione operativa massima del sistema, senza subire danni.
Ruolo degli Scaricatori di Sovratensione nel Coordinamento dell'Isolamento del Sistema di Potenza
Come punto di interesse, va notato che le TOV in un sistema di potenza sono limitate mediante compensazione reattiva commutata (come con un reattore in derivazione), o attraverso l'applicazione di dispositivi di trasmissione flessibile in corrente alternata (FACT) (come SVC e STATCOM).
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Costruzione e Componenti Principali
Al cuore dell'unità scaricatore di sovratensione c'è la colonna di varistori MO, che costituisce la sua parte attiva. La colonna è composta da blocchi di varistori MO impilati uno sopra l'altro. Questi blocchi sono realizzati in ossido di zinco (ZnO) e altre polveri metalliche mescolate insieme e poi pressate in dischi cilindrici. Il diametro di ciascun disco determina la capacità di gestione dell'energia dello scaricatore di sovratensione. Un diametro di 100 mm (3,9 pollici) o più è solitamente richiesto per i sistemi ad alta tensione.
La capacità di resistenza TOV richiesta (governata dalla tensione nominale dello scaricatore), insieme ai livelli protettivi desiderati per gli impulsi di manovra e fulmine, controllano l'altezza complessiva della colonna di varistori MO. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, l'involucro in porcellana dello scaricatore di sovratensione è progettato per essere considerevolmente più lungo per ragioni dielettriche (distanza di isolamento e distanza di fuga) e non è controllato dall'altezza della parte attiva. Di conseguenza, la colonna di varistori MO è installata nell'involucro dell'unità scaricatore con l'aiuto di spaziatori metallici. Gli spaziatori consistono in tubi di alluminio con coperture terminali per distribuire uniformemente la pressione di contatto.
Diverse aste di supporto e piastre di tenuta realizzate in materiale plastico rinforzato con fibra di vetro (FRP) circondano la colonna di varistori MO sotto forma di una gabbia; la gabbia assicura meccanicamente la parte attiva interna. All'estremità superiore dello scaricatore, una molla di compressione fornisce la pressione assiale necessaria per premere insieme la pila di varistori MO. Le flange sono cementate a ciascuna estremità dell'involucro in porcellana dello scaricatore di sovratensione; le flange sono solitamente realizzate in alluminio e racchiudono il dispositivo di tenuta.
Nei sistemi ad alta tensione, invece di collegare direttamente a terra gli scaricatori di sovratensione, i dispositivi di monitoraggio sono collegati in serie con lo scaricatore. In tali casi, la flangia inferiore dello scaricatore di sovratensione è installata con piedi isolanti e un collegamento di messa a terra (collegamento a terra) è effettuato attraverso il dispositivo di monitoraggio.
Vista in Sezione Trasversale di uno Scaricatore di Sovratensione MO con Involucro in Porcellana
Il sistema di tenuta è uno dei componenti più critici di uno scaricatore di sovratensione. In primo luogo, dovrebbe prevenire l'ingresso di umidità e contaminazione nell'involucro dello scaricatore di sovratensione. In secondo luogo, dovrebbe agire come un dispositivo di rilascio della pressione a rapida operazione in caso di sovraccarico dello scaricatore, che può portare a un rapido accumulo di pressione all'interno dell'involucro dello scaricatore di sovratensione. Infine, dovrebbe fornire un punto di contatto ben stabilito per il trasferimento della corrente dal terminale di connessione esterno dello scaricatore di sovratensione alla colonna di varistori MO.
Il sistema di tenuta di uno scaricatore di sovratensione è costituito da un anello di tenuta sintetico e da un diaframma di rilascio della pressione, entrambi installati due volte a ciascuna estremità del corpo dello scaricatore di sovratensione. Il diaframma molto sottile (solo pochi decimi di millimetro di spessore, o millesimi di pollice) è realizzato in nichel o acciaio di alta qualità. Il diaframma è spinto contro l'anello di tenuta mediante un anello di serraggio avvitato al corpo della flangia.
In caso di sovraccarico dello scaricatore, si sviluppa un arco tra le due flange all'interno dell'involucro. L'energia termica di questo arco (che trasporta la corrente di cortocircuito completa della rete) provoca un rapido aumento della pressione all'interno dello scaricatore di sovratensione. La pressione risultante viene alleviata dal diaframma di rilascio, evitando così un guasto catastrofico dello scaricatore e possibili danni all'area circostante. I gas caldi che si sviluppano all'interno dell'involucro dello scaricatore a causa del sovraccarico vengono diretti attraverso uno dei due sbocchi di sfiato. All'esterno dello scaricatore di sovratensione, i flussi di gas si incontrano, causando lo spostamento (commutazione) dell'arco che bruciava all'interno dell'involucro e continuando a bruciare all'esterno dello scaricatore fino a quando il guasto non viene eliminato.
Alle tensioni più elevate, a causa dei requisiti di isolamento e dell'economia di produzione, uno scaricatore di sovratensione completo è costituito da diverse unità di scaricatore collegate in serie. Inoltre, un anello di graduazione è installato al terminale ad alta tensione per controllare la distribuzione della tensione dall'estremità ad alta tensione a terra.
Scaricatore di Sovratensione ad Alta Tensione Multi-Unità
Monitoraggio delle Condizioni dello Scaricatore di Sovratensione
Gli scaricatori di sovratensione MO moderni sono dispositivi altamente affidabili se configurati correttamente. Ci si può aspettare che abbiano una vita di servizio quasi senza manutenzione di 30 anni o più. Tuttavia, considerando l'alto costo delle apparecchiature che gli scaricatori di sovratensione proteggono e gli effetti dannosi dei sovraccarichi dello scaricatore, c'è una buona ragione per monitorare la salute degli scaricatori di sovratensione.
Alla tensione di servizio normale, gli scaricatori di sovratensione mostrano un'alta impedenza tale da agire come un isolante per la maggior parte della loro vita di servizio. Tale comportamento è necessario per garantire una lunga vita allo scaricatore, nonché la stabilità del sistema elettrico associato. È quindi imperativo rilevare qualsiasi deterioramento delle proprietà isolanti di uno scaricatore di sovratensione prima che la situazione diventi critica. Due tipi di dispositivi di monitoraggio comunemente impiegati per gli scaricatori MO ad alta tensione sono:
- Contatori di scariche che registrano il numero di impulsi di sovratensione.
- Monitor di corrente di dispersione che misurano la corrente di dispersione che scorre attraverso lo scaricatore.
Il presupposto di base dell'uso dei contatori di scariche è identificare se una determinata linea di trasmissione o fase del sistema sta sperimentando un numero straordinariamente alto di sovratensioni che portano all'operazione dello scaricatore. Inoltre, un aumento improvviso del tasso di conteggio delle scariche può anche indicare un guasto interno dello scaricatore. Tuttavia, i contatori di scariche da soli rivelano solo informazioni parziali sul monitoraggio delle condizioni. La maggior parte dei dispositivi di monitoraggio degli scaricatori di sovratensione registra il numero (conteggio) degli impulsi di sovratensione, mentre misura anche qualsiasi corrente di dispersione. La corrente di dispersione fornisce informazioni aggiuntive sulla magnitudine di eventuali sovratensioni e sulla sua rilevanza nel caso in cui si verifichi un evento di sovratensione del sistema. Utilizzando contatori di scariche e dispositivi di misurazione della corrente di dispersione in combinazione tra loro, si ottiene un mezzo più flessibile per monitorare e diagnosticare le condizioni dello scaricatore.
Caratteristiche Operative
La caratteristica tensione-corrente (V-I) illustra come la resistenza di uno scaricatore di sovratensione varia con la tensione, fornendo anche informazioni sul suo funzionamento. Le caratteristiche V-I altamente non lineari del varistore MO lo rendono un candidato adatto per l'applicazione di protezione dalle sovratensioni. Il varistore è fondamentalmente un resistore variabile la cui resistenza dipende inversamente dalla tensione applicata, cioè maggiore è la tensione, minore è la resistenza. L'immagine sottostante mostra le caratteristiche tipiche di uno scaricatore di sovratensione MO con tensione nominale di 420 kV applicato all'interno di un sistema con tensione nominale di 550 kV (fase-fase).
Caratteristiche Operative di uno Scaricatore di Sovratensione con Tensione Nominale di 420 kVrms
Per sviluppare una migliore comprensione delle caratteristiche operative di uno scaricatore di sovratensione, sono necessarie definizioni di alcuni termini e parametri importanti:
Tensione Massima del Sistema (Us)
La tensione massima fase-fase rms specificata per un dato sistema in condizioni normali.
Tensione Operativa Continua (Uc)
La tensione massima rms che può essere applicata ai terminali dello scaricatore per un periodo continuo o indefinito; questo è anche talvolta designato come MCOV. In pratica, la tensione operativa continua (Uc) dello scaricatore è impostata per essere maggiore della tensione massima fase-terra del sistema con un margine di almeno cinque percento.
Tensione Nominale (Ur)
La tensione massima rms che lo scaricatore di sovratensione deve sopportare per una durata specificata (ad esempio 10 o 100 secondi). Caratterizza la capacità di uno scaricatore di sopportare le TOV del sistema. Quando uno scaricatore di sovratensione è sollecitato fino e oltre la sua tensione nominale (Ur), corrente di dispersione fluirà. La corrente di dispersione è definita come il flusso involontario di corrente a terra. Questa situazione non è desiderata perché mentre la corrente di dispersione fluisce, si verifica un aumento proporzionale della temperatura operativa dello scaricatore. Se questa condizione è consentita di persistere oltre la durata specificata, la temperatura dello scaricatore aumenterà fino a diventare termicamente instabile, il che può portare al fallimento dello scaricatore.
Livello Protettivo dell'Impulso di Manovra (SIPL)
Il valore di picco della tensione residua ai terminali dello scaricatore di sovratensione alla scarica nominale di un impulso di corrente di manovra con forma d'onda 30/60 µs e con una magnitudine di picco di 2 kA (nel caso di sistemi ad altissima tensione).
Livello Protettivo dell'Impulso di Fulmine (LIPL)
Il valore di picco della tensione residua ai terminali dello scaricatore di sovratensione alla scarica nominale di un impulso di corrente di fulmine con forma d'onda 8/20 µs e con una magnitudine di picco di 20 kA.
Selezione e Configurazione degli Scaricatori di Sovratensione
La filosofia generale nella selezione degli scaricatori di sovratensione per qualsiasi sistema particolare, implica l'abbinamento delle caratteristiche elettriche e meccaniche dello scaricatore con le esigenze elettriche e i requisiti meccanici del sistema. Il seguente diagramma di flusso semplificato dimostra il metodo e la procedura generale per configurare uno scaricatore MO.
Diagramma di Flusso Semplificato per la Selezione degli Scaricatori di Sovratensione
I requisiti per una selezione ottimale e soddisfacente degli scaricatori di sovratensione dettano che gli scaricatori dovrebbero fornire un margine di protezione adeguato e che dovrebbero essere anche adatti per un funzionamento continuo stabile. Un 'margine di protezione adeguato' significa che le sovratensioni del dispositivo sono sempre al di sotto della sua tensione di tenuta, con un sufficiente fattore di sicurezza (margine di sicurezza). Mentre, 'funzionamento continuo stabile' si riferisce alla capacità dello scaricatore di gestire tutte le sollecitazioni a lungo termine, temporanee o transitorie (che possono essere causate dall'operazione del sistema), rimanendo elettricamente e termicamente stabile durante tutta la sua vita lavorativa utile.
Sfortunatamente, entrambi i margini di protezione adeguati e il funzionamento continuo stabile non possono essere soddisfatti indipendentemente. Una riduzione del livello protettivo dello scaricatore (per fornire un margine di protezione maggiore) inevitabilmente risulta in sollecitazioni elettriche più elevate durante il funzionamento continuo. Inoltre, la tensione nominale dello scaricatore non può essere aumentata arbitrariamente senza aumentare il suo livello protettivo (che risulta in una corrispondente diminuzione del margine di protezione). Pertanto è necessario un compromesso, dove entrambi i requisiti sono bilanciati per arrivare a una soluzione ottimale.
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