Inleiding
Overspanningsafleiders worden gebruikt om hoogspanningsapparatuur in onderstations, zoals transformatoren, schakelaars en doorvoeringen, te beschermen tegen de effecten van bliksem en schakeloverspanningen. Overspanningsafleiders worden dicht bij en parallel aan de te beschermen apparatuur geïnstalleerd. Hun doel is om de overspanningsenergie veilig naar de aarde af te leiden en ervoor te zorgen dat de resulterende spanning over de klemmen laag genoeg blijft om de isolatie van de bijbehorende apparaten niet te beschadigen door de effecten van overspanningen.
Overspanningsafleiders die vermogenstransformator doorvoeringen beschermen
Bijna alle overspanningsafleiders die in moderne hoogspanningssystemen worden gebruikt, zijn van het type gapless metaaloxide (MO) varistor; dit artikel richt zich op dit type.
Isolatiecoördinatie en overspanningsafleiders
Isolatiecoördinatie wordt gedefinieerd als de selectie van de diëlektrische sterkte van apparatuur in relatie tot de verschillende soorten overspanningen die in het systeem kunnen optreden. Overspanningsafleiders bieden een onmisbare hulp bij economische isolatiecoördinatie in elektrische energiesystemen. Dit wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur, waar in afwezigheid van enige overspanningsbeschermingsapparaten, de apparatuur de hoge diëlektrische spanningen als gevolg van bliksem en schakeloverspanningen niet kan weerstaan. Het is binnen dit bereik dat de overspanningsafleiders hun rol in het systeem spelen, door de spanning op een niveau te houden dat onder de weerstandsspanning (de hoogste spanning die op een item kan worden toegepast zonder schade te veroorzaken) van de apparatuur, met een adequate veiligheidsmarge. Aan de andere kant van het spectrum kunnen overspanningsafleiders geen oscillerende vermogensfrequentie tijdelijke overspanningen (TOV) beperken en moeten daarom worden ontworpen om dergelijke tijdelijke overspanningen te weerstaan, samen met de maximale bedrijfsspanning van het systeem, zonder schade op te lopen.
Rol van overspanningsafleiders in isolatiecoördinatie van het energiesysteem
Als een punt van interesse moet worden opgemerkt dat TOV's in een energiesysteem worden beperkt door middel van geschakelde reactieve compensatie (zoals door een shuntreactor), of door de toepassing van flexibele wisselstroomtransmissie (FACT) apparaten (zoals SVC en STATCOM).
Geniet je van dit artikel? Zorg er dan voor dat je onze Engineering Video Cursussen bekijkt! Elke cursus heeft een quiz, handboek, en je ontvangt een certificaat wanneer je de cursus afrondt. Geniet ervan!
Constructie en Hoofdcomponenten
In het hart van de overspanningsafleider bevindt zich de MO varistor kolom, die het actieve deel vormt. De kolom bestaat uit MO varistorblokken die op elkaar zijn gestapeld. Deze blokken zijn gemaakt van zinkoxide (ZnO) en andere metaalpoeders die samen worden gemengd en vervolgens in cilindrische schijven worden geperst. De diameter van elke schijf bepaalt het energieverwerkingsvermogen van de overspanningsafleider. Een diameter van 100 mm (3,9 inch) of meer is meestal vereist voor hoogspanningssystemen.
De vereiste TOV-uithoudingsvermogen (bepaald door de nominale spanning van de afleider), samen met de gewenste schakel- en bliksemimpulsbeschermingsniveaus, bepalen de totale hoogte van de MO varistor kolom. In de meeste gevallen is echter de porseleinen behuizing van de overspanningsafleider ontworpen om aanzienlijk langer te zijn om diëlektrische redenen (vrijloop en lekafstand vereisten) en wordt niet bepaald door de hoogte van het actieve deel. Als gevolg hiervan wordt de kolom van MO varistors in de behuizing van de afleider geïnstalleerd met behulp van metalen afstandhouders. De afstandhouders bestaan uit aluminium buizen met eindkappen om de contactdruk gelijkmatig te verdelen.
Verschillende ondersteunende staven en houdplaten vervaardigd uit glasvezelversterkt plastic (FRP) materiaal omringen de MO varistor kolom in de vorm van een kooi; de kooi beveiligt mechanisch het interne actieve deel. Aan de bovenkant van de afleider zorgt een drukkveer voor de nodige axiale druk om de stapel MO varistors samen te drukken. Flenzen zijn aan beide uiteinden van de porseleinen behuizing van de overspanningsafleider gecementeerd; de flenzen zijn meestal vervaardigd uit aluminium en omsluiten de afdichtingsconstructie.
In hoogspanningssystemen worden in plaats van de overspanningsafleiders direct te aarden, bewakingsapparaten in serie met de afleider aangesloten. In dergelijke gevallen is de onderste flens van de overspanningsafleider geïnstalleerd met isolerende voeten en wordt een aarding verbinding (grond verbinding) gemaakt via het bewakingsapparaat.
Dwarsdoorsnede van een porseleinen behuizing MO overspanningsafleider
Het afdichtingssysteem is een van de meest kritieke componenten van een overspanningsafleider. Ten eerste moet het de binnendringing van vocht en verontreinigingen in de behuizing van de overspanningsafleider voorkomen. Ten tweede moet het fungeren als een snel werkend drukontlastingsapparaat (PRD) in geval van een overbelasting van de afleider, wat kan resulteren in een snelle drukopbouw binnen de behuizing van de overspanningsafleider. Ten slotte moet het een goed gevestigd contactpunt bieden voor de overdracht van stroom van de externe aansluitklem van de overspanningsafleider naar de MO varistor kolom.
Het afdichtingssysteem van een overspanningsafleider bestaat uit een synthetische afdichtring en een drukontlastingsmembraan, die beide tweemaal aan beide uiteinden van het lichaam van de overspanningsafleider zijn geïnstalleerd. Het zeer dunne membraan (slechts enkele tienden van een millimeter dik, of duizendsten van een inch) is gemaakt van nikkel of hoogwaardig staal. Het membraan wordt tegen de afdichtring gedrukt door middel van een klemring die aan het flenslichaam is geschroefd.
In het geval van een overbelasting van de afleider, ontwikkelt zich een boog tussen de twee flenzen binnen de behuizing. De thermische energie van deze boog (die de volledige kortsluitstroom van het netwerk draagt) resulteert in een snelle drukopbouw binnen de overspanningsafleider. De resulterende druk wordt verlicht door het ontlastingsmembraan, waardoor een catastrofale storing van de afleider en mogelijke resulterende schade aan de omgeving wordt voorkomen. Hete gassen die binnen de behuizing van de afleider ontstaan als gevolg van de overbelasting, worden door een van de twee ontluchtingsuitlaten geleid. Buiten de overspanningsafleider ontmoeten de gasstromen elkaar, waardoor de boog die binnen de behuizing brandde, verschuift (commuteert) en buiten de afleider blijft branden totdat de fout is opgelost.
Bij hogere spanningen, vanwege isolatievereisten en economische productie, bestaat een complete overspanningsafleider uit meerdere afleiderunits die in serie zijn verbonden. Bovendien wordt een verdeelring geïnstalleerd aan de hoogspanningsaansluiting om de spanningsverdeling van de hoogspanningszijde naar de aarde te beheersen.
Multi-Unit Hoogspannings Overspanningsafleider
Toestandbewaking van Overspanningsafleiders
Moderne MO overspanningsafleiders zijn zeer betrouwbare apparaten wanneer ze correct zijn geconfigureerd. Ze kunnen worden verwacht een bijna onderhoudsvrije levensduur van 30 jaar of meer te hebben. Desalniettemin, gezien de hoge kosten van de apparatuur die overspanningsafleiders beschermen, en de nadelige effecten van overbelasting van de afleider, is er goede reden om de gezondheid van overspanningsafleiders te bewaken.
Bij normale bedrijfsspanning vertonen overspanningsafleiders een hoge impedantie, zodat ze fungeren als een isolator voor het grootste deel van hun werkzame levensduur. Dergelijk gedrag is noodzakelijk om een lange levensduur van de afleider te garanderen, evenals stabiliteit van het bijbehorende elektrische systeem. Het is daarom van essentieel belang om elke verslechtering van de isolerende eigenschappen van een overspanningsafleider te detecteren voordat de situatie kritiek wordt. Twee soorten bewakingsapparaten die vaak worden gebruikt voor hoogspannings MO afleiders zijn:
- Overspanningstellers die het aantal overspanningsimpulsen registreren.
- Lekstroommonitoren die de lekstroom meten die door de afleider stroomt.
Het basisprincipe van het gebruik van overspanningstellers is om te identificeren of een bepaalde transmissielijn of fase van het systeem een buitengewoon hoog aantal overspanningen ervaart die leiden tot de werking van de afleider. Bovendien kan een abrupte toename van de overspanningstellingsfrequentie ook wijzen op een interne fout van de afleider. Echter, overspanningstellers alleen geven slechts gedeeltelijke informatie over de toestandbewaking. De meeste overspanningsafleiderbewakingsapparaten registreren het aantal (telling) van overspanningsimpulsen, terwijl ze ook elke lekstroom meten. Lekstroom biedt aanvullende informatie over de grootte van eventuele overspanningen en de relevantie ervan mocht zich een systeemoverspanningsgebeurtenis voordoen. Het gebruik van overspanningstellers en lekstroommeetapparaten in combinatie met elkaar, biedt een flexibelere manier om de toestand van de afleider te bewaken en te diagnosticeren.
Bedrijfskarakteristieken
De spannings-stroom (V-I) karakteristiek illustreert hoe de weerstand van een overspanningsafleider varieert met de spanning, terwijl het ook inzicht geeft in de werking ervan. De sterk niet-lineaire V-I karakteristieken van de MO varistor maken het een geschikte kandidaat voor overspanningsbeschermingsapplicaties. De varistor is in feite een variabele weerstand waarvan de weerstand omgekeerd afhankelijk is van de aangelegde spanning, d.w.z. hoe groter de spanning, hoe lager de weerstand. De onderstaande afbeelding toont typische karakteristieken van een 420 kV nominale MO overspanningsafleider toegepast binnen een 550 kV nominaal systeem (fase-fase).
Bedrijfskarakteristieken van een overspanningsafleider met 420 kVrms nominale spanning
Om een beter begrip te ontwikkelen van de bedrijfskarakteristieken van een overspanningsafleider, zijn definities van enkele belangrijke termen en parameters nodig:
Maximale Systeemspanning (Us)
De hoogste fase-fase rms vermogensfrequentiespanning die voor een gegeven systeem wordt gespecificeerd onder normale omstandigheden.
Continue Bedrijfsspanning (Uc)
De maximaal toelaatbare rms vermogensfrequentiespanning die continu of voor onbepaalde tijd over de klemmen van de afleider kan worden aangelegd; dit wordt soms ook aangeduid als MCOV. In de praktijk wordt de continue bedrijfsspanning (Uc) van de afleider ingesteld op een waarde die groter is dan de hoogste fase-aarde systeemspanning () met een marge van ten minste vijf procent.
Nominale Spanning (Ur)
De maximale rms vermogensfrequentiespanning die de overspanningsafleider moet weerstaan voor een gespecificeerde korte duur (bijv. 10 of 100 seconden). Het karakteriseert het vermogen van een afleider om systeem TOV te weerstaan. Wanneer een overspanningsafleider wordt belast tot en voorbij zijn nominale spanning (Ur), zal er lekstroom vloeien. Lekstroom wordt gedefinieerd als de onbedoelde stroom naar de aarde. Deze situatie is niet gewenst omdat bij het vloeien van lekstroom een proportionele toename van de bedrijfstemperatuur van de afleider zal optreden. Als deze toestand langer dan de gespecificeerde korte duur aanhoudt, zal de temperatuur van de afleider stijgen totdat deze thermisch onstabiel wordt, wat uiteindelijk kan leiden tot het falen van de afleider.
Schakelimpuls Beschermingsniveau (SIPL)
De piekwaarde van de residuele klemspanning van de overspanningsafleider bij nominale ontlading van een schakelstroomimpuls met een 30/60 µs golfvorm en met een pieksterkte van 2 kA (in het geval van extra hoogspanningssystemen).
Bliksemimpuls Beschermingsniveau (LIPL)
De piekwaarde van de residuele klemspanning van de overspanningsafleider bij nominale ontlading van een bliksemstroomimpuls met een 8/20 µs golfvorm en met een pieksterkte van 20 kA.
Selectie en Configuratie van Overspanningsafleiders
De algemene filosofie bij het selecteren van overspanningsafleiders voor een bepaald systeem houdt in dat de elektrische en mechanische kenmerken van de afleider worden afgestemd op de elektrische eisen en mechanische vereisten van het systeem. Het volgende vereenvoudigde stroomdiagram toont de algemene methode en procedure voor het configureren van een MO afleider.
Vereenvoudigde Selectie van Overspanningsafleiders Stroomdiagram
De vereisten voor een optimale en bevredigende selectie van overspanningsafleiders dicteren dat afleiders een adequate beschermingsmarge moeten bieden en dat ze ook geschikt moeten zijn voor stabiele continue werking. Een 'adequate beschermingsmarge' betekent dat de apparaatoverspanningen altijd onder de weerstandsspanning liggen, met een voldoende veiligheidsfactor (veiligheidsmarge). Terwijl 'stabiele continue werking' verwijst naar het vermogen van de afleider om alle langdurige, tijdelijke of transiënte spanningen (die kunnen worden veroorzaakt door systeemwerking) te weerstaan, terwijl hij gedurende zijn nuttige levensduur elektrisch en thermisch stabiel blijft.
Helaas kunnen zowel de adequate beschermingsmarge als de stabiele continue werking niet onafhankelijk worden bevredigd. Een vermindering van het beschermingsniveau van de afleider (om een grotere beschermingsmarge te bieden) resulteert onvermijdelijk in hogere elektrische spanningen tijdens continue werking. Ook kan de nominale spanning van de afleider niet willekeurig worden verhoogd zonder het beschermingsniveau te verhogen (wat resulteert in een overeenkomstige vermindering van de beschermingsmarge). Dus een compromis is noodzakelijk, waarbij beide vereisten in balans worden gebracht om tot een optimale oplossing te komen.
Gerelateerde Online Engineering Cursussen
Introductie tot Elektrische Schakelapparatuur
Elektrische Onderstations Uitgelegd
Introductie tot Elektrische Transformatoren
Hoe Elektrische Transformatoren Werken
Gezondheidsbeoordeling van Elektrische Transformatoren