Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 6: Thiết bị bảo vệ chống sét

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện cao áp - Chương 6: Thiết bị bảo vệ chống sét

1. BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN CAO ÁP CHƯƠNG 6 : THIẾT BỊ BẢO VỆ CHỐNG SÉT 6.1. Mở đầu 6.2. Phương tiện bảo vệ chống quá điện áp 6.3. Khe hở phóng điện 6.4. Chống sét ống 6.5. Chống sét van 6.5. Lắp đặt chống sét van 3/31/2014 Page 1
2. PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CHỐNG SÉT Mức thứ nhất : bảo vệ chống sét đánh trực tiếp và tản dòng điện vào đất tại điểm sét đánh Mức bảo vệ này chủ yếu áp dụng đối với các công trình dễ bị sét đánh, tránh sét đánh trực tiếp vào các công trình điện bằng cách hướng sét vào những điểm định trước. Định hướng sét một cách chủ động có điều khiển vào những điểm chính xác trên mặt đất được thực hiện bằng các phương tiện sau : cột chống sét dựa trên nguyên tắc khoảng cách phóng điện : các kim thu sét đặt trên độ cao của công trình cần bảo vệ và được nối đất theo các đường ngắn nhất. Có thể thấy rằng bảo vệ được xem la tốt nếu vật cần bảo vệ nằm trong một hình côn góc nghiêng 45o. lưới hoặc lồng Faraday. Đó là một mạng kín các thanh dẫn ngang và thanh dẫn dọc được nối đất vào hệ thống nối đất. Kích thước lưới cần nhỏ hơn 15 m, các tanh dẫn đứng được đặt tại vị trí các nút lưới ở phần phía trên. Phần phủ phía trên tương đương với vô số cột thu sét. kiến tạo màn chắn. Dây chống sét thuộc loại này. Chúng hình thành bảo vệ an toàn chông sét đánh cho các đường dây tải điện. Nhiệm vụ của nó là thu hút các phóng điện sét, mà theo mô hình điện hình học có dòng điện lớn hơn dòng điện tới hạn. Bảo vệ chống sét cho đường dây xác định bởi góc bảo vệ tối ưu opt. Khi opt, "sự cố màn chắn" có thể xảy ra. Các cú sét có dòng điện lớn hơn giá trị tới hạn có thể gây phóng điện vào dây dẫn. 3/31/2014 Page 2
3. Mức thứ hai : Hạn chế điện áp dư bằng biện pháp san phẳng Có nhiệm bảo vệ thiết bị của trạm biến áp hoặc các công trình điện chống quá điện áp. Một số thiết bị bảo vệ được dùng để phân tán năng lượng (đảm bảo mức cách điện xung kích - BIL Basic Impulse Level) của các thiết bị khác nhau trong trạm biến áp (phối hợp cách điện). Nguyên lý của bảo vệ này là tạo ra một mạch điện cho phép tản dòng điện sét bằng cách gây ra phóng điện hoặ dẫn dòng điện xuống đất. Hai loại thiết bị được sử dụng để hạn chế điện áp là khe hở phóng điện và chống sét van. Để hạn chế quá điện áp (biên độ và thời gian) người ta tác động các biện pháp sau Hạn chế quá điện áp (ví dụ xây dựng đường dây trú được sét ví dụ trong các thung lũng). Chuyển hướng hậu quả quá điện áp (sử dụng dây chống sét để tránh sét đánh trực tiếp vào dây dẫn). Loại bĐ QđA (bảo vệ trạm biến áp bằng hệ thống cột chống sét) Suy yếu tự nhiên do tổn hao và hiệu ứng vầng quang Suy yếu do khe hở phóng điện hoặc chống sét van tác động 3/31/2014 Page 3
4. Để bảo vệ một thiết bị cần thiết bị bảo vệ luôn luôn được láp đặt song song với thiết bị cần bảo vệ. Khi QDA xuất hiện, thiết bị bảo vệ phải phải tác động trước tiên, phải hạn chế điện áp tác dụng lên thiết bị cần bảo vệ khi QĐA kết thúc, phải có khả năng cắt được hồ quang do dòng điện kế tục sinh ra, phục hồi trạng thái làm việc ban đầu. các yêu cầu trên, các thiết bị bảo vệ cần thoả mãn các điều kiện sau đường đặc tính điện áp - thời gian chậm trễ phóng điện (gọi là đường đặc tính volt-giây V-S) phải nằm thấp hơn đặc tính V-S của thiết bị cần bảo vệ. phải có khả năng cắt nhanh hồ quang do dòng điện kế tục gây nên. Khi thiết bị bảo vệ tác động, nó tạo ra ngắn mạch xuống đất để tản dòng điện sét : hồ quang cần phải được dập tắt trước khi máy cắt nhảy. cần có điện áp dư bé hơn mức cách điện của thiết bị cần bảo vệ không được tác động khi có quá điện áp nội bộ 3/31/2014 Page 4
5. Khe hở phóng điện Thiết bị bảo vệ chống sét đầu tiên và cổ điển nhất gồm hai điện cực mũi nhọn trong đó một được nối với dây dẫn và điện cực kia được nối đất § iÖn ¸ p Thêi gi an Khe hở phóng điện được dùng chủ yếu ở các mạng điện áp thấp và trung áp, được láp đặt trong các mạng rất thường xuyên xuất hiện quá điện áp và ở đoạn gần trạm biến áp trung áp. Vai trò của nó là tạo ra một điểm yếu về cách điện nhưng trong mạng điện được kiểm soát để phóng điện có thể xảy ra trước hết tại đây 3/31/2014 Page 5
6. Điện áp phóng điện và thới gian trễ phóng điện của khe hở phóng điện phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai điện cực, cực tính và độ dốc, bị ảnh hưởng của hình dạng và cách bố trí các điện cực cũng như khoảng cách giữâ các điện cực vớí các vật thể xung quanh nối với điện áp hoặc với đất. Để cải tiến hoạt động của các khe hở khi có quá điện áp với độ dốc rất lớn và tạo ra đường đặc tinhs V-S bằng phẳng, người ta sửa đổi hình dáng điện cực mũi nhon - mũi nhọn. Mô hình hiện nay thường được sử dụng là loại chống sét sừng cho phép kéo dài hồ quang điện tạo điều kiện để dập tắt hồ quang 3/31/2014 Page 6
7. để giảm số lần tác động và số lần cắt điện, thì cần phải chọn khoảng cách khe hở không khí lớn nhất theo đièu kiện bảo vệ cách điện Tham sè §iÖn ¸p ®Þnh møc 6 10 20 35 110 220 500 Kho¶ng c¸ch b¶o vÖ, mm 40 60 140 250 650 135 150 0 0 Kho¶ng c¸ch phô, mm 10 15 20 30 - - - §iÖn ¸p phãng ®iÖn tÇn sè 50 Hz, kV 34 45 70 105 252 495 750 §iÖn ¸p phãng ®iÖn xung kÝch, kV Cùc tÝnh d-¬ng 51 66 121 195 466 735 106 Cùc tÝnh ©m 53 68 134 220 510 817 5 119 0 3/31/2014 Page 7
8. đường cong đặc tính điện áp - thời gian phóng điện xung kích của khe hở phóng điện thường có dạng uốn cong rất nhiều so với đặc tính của thiết bị cần bảo vệ như máy biến áp và cáp. Do hình dạng rất uốn cong của đường đặc tính V-S, khoảng cách bảo vệ đối với tất cả các quá điện áp thường rất bé, một vài milimét 3/31/2014 Page 8
9. Khe hở phóng điện không thể chấp nhận được theo quan điểm cung cấp điện liên tục vì sự có mặt của chúng làm tăng số lần sự cố. Khi xảy ra phóng điện khe hở, quá trình ion hoá vẫn tiếp tục, hồ quang được duy trì bởi điện áp làm việc và tạo ra dòng điện kế tục tần số công nghiệp, dòng điện xung kích có thể chuyển thành hồ quang ổn định dẫn đến cắt điện thiết bị điện hoặc một phần lưới điện. Ngoài ra còn cần chú ý việc bố trí các khe hở phóng điện ở mỗi pha được chọn sao cho có thể hạn chế các nguy cơ lan rộng hồ quang sang các pha bên cạnh, biến sự cố một pha thành sự cố ba pha. Khoảng cách phóng điện cũng có thể thay đổi theo mức bảo vệ 3/31/2014 Page 9
10. Người ta chế tạo khe hở phóng điện dưới dạng chiêc sừng, do dạng khe hở này dưới tác động của lực điện động và dòng chuyển động nhiệt của không khí, hồ quang sinh ra bị kéo dài ra và có thể bị dập tắt. Hồ quang tự dập tắt đối với loại chống sét này nếu như dòng điện hồ quang không vượt quá 300A Thiết bị bảo vệ khe hở phóng điện này rất đơn giản, khá hiệu quả và rất kinh tế nhưng cũng có nhiều nhược điểm : thời gian phóng điện chậm trễ theo điện áp tới. phóng điện nhạy cảm với các yếu tố bên ngoài, điều kiện khí hậu xung quang. khi nó tạo ra sóng cắt có độ dốc đầu sóng lớn có thể gây nguy hiểm cho các cuộn dây máy điện. dòng điện kế tục tần số 50Hz. khe hở phóng điện được dùng khá phổ biến cho lưới điện cấp điện áp thấp. Đối với các đường dây cao áp và siêu cao áp, một số biện pháp đặc biệt được áp dụng nhằm hạn chế quá điện áp nội bộ, khe hở cũng có thể sử dụng để phối hợp bảo vệ cùng với chống sét van, có tác dụng hạn chế biên độ sóng điện áp truyền vào trạm và giảm dòng điện qua chống sét van 3/31/2014 Page 10
11. CHỐNG SÉT ỐNG chống sét ống là một ống làm bằng vật liệu sinh khí 1, một đầu có náp kim loại giữ điện cực thanh 2, đầu kia hở và điện cực hình xuyến 3. Khoảng cách khe hở l1 giữa điện cực thanh và điện cực hình xuyến gọi là khe hở trong (khe hở dập hồ quang). Thân ống cách ly với đường dây bằng khe hở l2 để nó không bị hư hỏng do dòng điện rò (vật liệu sinh khí sẽ phát nóng, sản sinh khí dưới tác dụng của dòng điện rò). Tác dụng bảo vệ của chống sét ống đặc trưng bởi đường đặc tính vôn ­ giây của nó và điện trở nối đất. Đặc tính vôn giây phụ thuộc vào khe hở trong và ngoài của chống sét ống và xác định điện áp khởi động, còn điện trở nối đất xác định điện áp giáng trên bộ phận nối đất. Do đó ở các nơi đặt chống sét ống cần phải nối đất thật tốt. đặc tính vôn giây của chống sét có dạng như của khe hở bảo vệ trường rất không đồng nhất. Khe hở ngoài được chọ theo điều kiện phối hợp cáh điện và có thể điều chỉnh trong một phạm vi nhất định. Khe hở bên trong được chỉnh định theo khả năng dập hồ quang và không điều chỉnh được 3/31/2014 Page 11
12. Khi có quá điện áp cả hai khe hở sẽ phóng điện (phóng điện mặt ngoài của thân ống không thể xảy ra vì điện áp phóng điện theo bề mặt lớn hơn nhiều khoảng cách khe hở trong), dòng điện sét đi vào bộ phân nối đất. Sau khi hết dòng điện xung kích,có dòng điện chạm đất tần số công nghiêp (gọi là dòng điện kế tục) đi qua. Dưới tác dụng của hồ quang dòng điện ngắn mạch, chất sinh khí sẽ bị phát nóng và sản sinh rất nhiều khí, áp suất khí ở trong ống tăng và có thể lớn đến hàng chục ata. Chất khí thoát ra phía đầu hở tạo thành luồng khí thổi hồ quang về phía đầu hở của ống làm cho hồ quang bị dập tắt khi dòng điện qua trị số không lần đầu tiên. Khi chống sét ống làm việc sẽ kèm theo tiếng xả khí và âm thanh giống như phát đạn bắn đi. Để có thể dập được hồ quang, trong ống cần có đủ khí, điều này phụ thuộc vào trị số của dòng điện đi qua. Vì thế phải có quy định về giới hạn dưới của dòng điện, nếu dòng điện bé hơn trị số náỹe không đủ khả năng dập tắt hồ quang. Ngược lại dòng điện cũng không được quá lớn vì có thể tạo nên áp suất quá cao gây phá huỷ ống. Giới hạn trên và giới hạn dưới của dòng điện cắt phụ thuộc vào khe hở phóng điện trong. Giảm khoảng cách khe hở phóng điện trong và tăng đường kính làm cho cả hai giới hạn trên và dưới bị dịch về phía dòng điện lớn 3/31/2014 Page 12
13. Các loại chống sét ống của Liên xô là PT dùng chất sinh khí là phibro bakelit, còn loại PTB và PTBY dùng chất sinh khí là viniplast (thuỷ tinh hữu cơ hay PMMA). Để tăng độ bền cơ giới cần thiết, phần ngoài của ống được bọc thêm giấy bakelit có quýet sơn chống ẩm. Viniplast không hút ẩm và giữ được tính chất cách điện khi làm việc ngoài trời và do có độ bền cơ khí cao hơn với các tải đột ngột, loại chống sét ống PTB có giới hạn trên cắt dòng điện lớn hơn Khi đặt chống sét ống tại bầt kỳ một điểm nào trong lưới điện, cần phải kiểm tra dòng điện ngắn mạch chạm đất tại điểm đó để đảm bảo chống sét ông có thể tự dập tắt hồ quang mà không bị hư hỏng. Khi hống sét ống tác động nhiều lần, chất sinh khí sẽ bị hao mòn, thân ống sẽ rỗng hơn, và khi đường kính trong của thân ống tăng quá 20­30% so với trị số ban đầu thì chống sét xem như mất tác dụng. Khi làm việc chống sét ống thổi ra một luồng khí bị ion hoá, do đó khi láp đặt chống sét ống trên cột phải lưu ý sao cho khí thoát ra không gây nên phóng điện giữa các pha. Muốn vậy thì trong phạm vi thoát khí của chống sét ống không được có dây dẫn của pha khác hoặc phạm vi thoát khí của ống khác Do đặc tính vôn giây rất dốc và vùng thoát khí lớn nên các chống sét ông không được sử dụng để bảo vệ chống sét thiết bị trạm biến áp. Nhiệm vụ chủ yếu của nó là để bảo vệ đoạn đường dây tới trạm, thiết bị điện của các trạm công suất nhỏ điện áp 3-10 kV và các đoạn đường dây giao nhau 3/31/2014 Page 13
14. Chñng lo¹i Kho¶ng c¸ch khe hë §iÖn ¸p phãng ®iÖn xung kÝch 1,2/50ms, kV §iÖn ¸p phãng ®iÖn tÇn sè 50 ngoµi, mm Hz, kV 50% 2ms kh« -ít PT 3/0,2-1,5 5-10 45/40 40/45 10 7 PT 3/1,5-7 PTB 6-10/0,5-4 10 60/60 65/65 33 32 PT 6-10/2-12 15 65/65 68/68 42 40 PT 35/0,4-3 80 160/170 200/200 95 95 100 180/190 205/220 105 83 150 225/255 250/265 130 110 200 270/320 300/310 155 135 PT 35/2-10 80 135/140 145/145 100 100 100 165/165 180/180 115 110 150 210/225 220/225 150 145 200 260/285 275/288 180 170 PT 110/0,4-2,2 350 410/455 495/560 213 200 400 432/495 525/600 230 225 450 455/530 550/640 240 250 500 475/570 580/680 255 270 PTB 110/2-10 350 380/400 415/435 165 100 400 405/440 450/480 217 145 450 435/460 485/510 310 170 500 460/490 520/575 395 212 PTBY 110/7-30 400 405/400 450/480 217 212 450 -/460 -/505 265 234 500 -/490 -/538 282 255 PT 220/2-10 500 -/1050 -/1100 600 550 600 -/1100 -/1150 700 600 700 -/1150 -/1200 750 700 800 -/1200 -/1250 864 838 Chó thÝch : Trªn tö sè ®iÖn ¸p phãng ®iÖn xung kÝch cùc tÝnh d-¬ng, mÉu ssè ®iÖn ¸p phãng ®iÖn cùc tÝnh ©m. 3/31/2014TrongPage nh·n 14 hiÖu cña chèng sÐt èng biÓu thÞ lo¹i chèng sÐt èng, cÊp ®iÖn ¸p vµ giíi h¹n dßng ®iÖn c¾t b»ng kA.
15. CHỐNG SÉT VAN ĐƯỜNG DÂY Figure shows the unique solid dielectric features of this arrester. It can be seen that there is no place for air, only zinc­ oxide or solid dielectric materials. There are no internal springs or washers. This feature insures that moisture ingress is prevented and that there is no internal corona due to air voids. This insures a long life arrester The application considerations for transmission line surge arresters differ from those normally used for arresters applied to protect non­self restoring insulation systems, such as transform­ers. Conventional surge arresters are applied to have the lowest possible protective characteristics in order to minimize voltage stress on non­self restoring systems ­ maximizing their economic life. 3/31/2014 Page 15
16. 3/31/2014 Page 16
17. Recommended Arrester Rating/MCOV System Voltage per IEEETM C62.22 Temporarily Maximum Effectively Grounded Nominal Line-to-Line Ungrounded, Impedance Line-to-Line Neutral Circuits (kV Voltage Grounded or Voltage rms) kV rms Ungrounded (kV rms) kV rms Rating MCOV Rating MCOV 34.5 36.5 27 22 27-45 22-36 46 48.3 36 29 36-60 29-46 69 72.5 54 42 54-90 42-70 115 121 90 70 90-108 70-84 138 145 108 84 108-132 84-108 3/31/2014 Page 17
18. Arrester on a tangent line post insulator Arrester mounted on a vertical line post insulator 3/31/2014 Page 18
19. 3/31/2014 Page 19
20. TRANSMISSION SYSTEM APPLICATIONS Arrester on a dead-end insulator 3/31/2014 Page 20
21. 3/31/2014 Page 21
22. CHỐNG SÉT VAN Chống sét van là thiết bị sử dụng để bảo vệ cách điện của các thiết bị điện quá điện áp, hạn chế biên độ và thời gian tồn tại dòng điện kế tục gây nên bởi phóng điện. Phần chính của chống sét van là các điện trở phi tuyến I I Vï ng II Van chống sét =0 Vï ng I Vï ng III =1 Hiệu ứng van là tính chất của tất cả các U vật liệu mà điện trở thay đổi một cách U không tuyến tính với điện áp đặt =0 Tính chất van cho phép thông qua nó một dòng điện rất lớn ở điện áp cao nhưng lại chỉ có một dòng điện rất bé ở điện áp thấp gọi là hiệu ứng van Trong một khoảng dòng điện xác định quan hệ điện áp - dòng điện có thể biểu diễn bởi công thức : U=A.I , với A là một hằng số phụ thuộc vào kích thước hình học, công nghệ chế tạo, còn là hệ số phi tuyến Hiệu ứng van càng thể hiện rõ khi hệ số phi tuyến càng bé. Trường hợp lý tưởng với =0, còn một vật liệu tuyến tính có quan hệ I=f(U) thoả mãn định luật với =1 Trường hợp vật liệu phi tuyến thực tế nằm giữa các trường hợp trên. 3/31/2014 Page 22
23. Gapped (silicon-carbide) and metal-oxide surge arresters There are two types of surge arresters: • those made of non-linear resistors in series with gaps - these are the gapped types • the gapless metal-oxide type comprising a simple stack of metalưoxide disk resistors with a strongly non-linear characteristic. The metal oxide is usually zinc oxide. Để bảo vệ cho thiết bị điện của trạm biến áp người ta sử dụng chống sét van loại có khe hở trên cơ sở SiC hoặc loại không có khe hở từ ZnO. 3/31/2014 Page 23
24. Tương ứng với các đặc tính bảo vệ của chống sét van có thể đưa ra mức cách điện của máy biến áp và các thiết bị. 3/31/2014 Page 24
25. CHỐNG SÉT VAN CÓ KHE HỞ Chống sét van loại có khe hở gồm các điện trở phi tuyến ghép nối tiếp với các khe hở phóng điện có khả năng hạn chế dòng điện khi có sóng xung kích . Khe hë phãng ®iÖn ®iÖn trë phi tuyÕn Vá sø ®Õ kim lo¹i Các điện trở phi tuyến của loại chống sét van có khe hở được chế tạo dưới dạng các tấm điện trở hình trụ từ bột cacbôrun và chất kết dính. Loại điện trở không đường thẳng dùng chất kết dính là bằng đất sét nên phải nung nóng ở nhiệt độ rất cao (đến 1200 oC), ở nhiết độ này lớp màng SiO2 thường bị phá huỷ nên đặc tính không ổn định. Loại điện trở phi tuyến dùng chất kết dính bằng thuỷ tinh lỏng chỉ cần nung nóng đến 300 oC 3/31/2014 Page 25
26. Điện trở phi tuyến trên cơ sở SiC Điện trở phi tuyến trên cơ sở cacbua silic (SiC) sản xuất từ bột SiC. Bề mặt bên ngoài của các hạt SiC được bao phủ bởi một lớp SiO2 (chiều dày khoảng 10mm). Điện trở suất của bản thân SiC rất bé. Nhưng điện trở của SiO2 lại thay đổi và là hàm phi tuyến của điện áp tác dụng. Khi điện trường bên ngoài rất thấp (điện áp tác dụng bé), điện trở suất của lớp này khoảng 104- 106m và hầu như toàn bộ điện áp đặt lên lớp này vì điện trở suất của SiC chỉ vào khoảng 10- 2m. Khi điện trường bên ngoài tăng cao, điện trở cuae lớp màng SiO2 giảm rất nhanh, điện trở của van chống sét bắt đầu xác định bởi điện trở của SiC. Hệ số phi tuyến của SiC nằm trong khoảng từ 0,13 đến 0,20 với dòng điện sét nằm trong vùng II và từ 0,28 khoảng 0,32 khi có dòng điện kế tục (vùng I). Tuy nhiên nếu dòng điện lớn qua điện trở phi tuyến kéo dài có thể dẫn đến phá hỏng lớp SiC. Do vậy cần thiết phải hạn chế giá trị dòng điện lớn nhất qua chống sét van và thời gian tồn tại của dòng điện này 3/31/2014 Page 26
27. Các đặc tính cơ bản của chống sét van loại có khe hở dùng SiC là Điện áp định mức của chống sét van (Maximum Rated Voltage) : trị số điện áp lớn nhất giá trị hiệu dụng tần số công nghiệp cho phép đặt lên chống sét van mà không gây ra phóng điện nguy hiểm (1,25 x MCOV). Rated voltage Rated voltage is the maximum powerfrequency voltage across a surge arrester at which the follow current can still be safely interrupted. It can be applied across the arrester continuousIy without it having any adverse effect on its operating characteristics. It is quoted as a root mean square value ln kV at 48 to 62 Hz or as a DC voltage. The magnitude of the operating voltage is the governing factor for the stressing of the series gaps: •as the recovery voltage after the zero crossing •especially because it determines the follow current to be quenched Ikt - Un). Điện áp làm việc lớn nhất (MCOV - Maximum Continuous Operating Voltage) : điện áp lớn nhất mà chống sét van có thể chịu đựng (phải lớn hơn điện áp lớn nhất của lưới ít nhất là 5 %). Therefore, the power-frequency voltage across the surge arrester must never exceed the rated voltage, even temporarily in the event of a fault in the system, otherwise there is a danger of the arrester breaking down. 3/31/2014 Page 27
28. Điện áp dư (Residual Voltage) là điện áp xuất hiện trên các phần tử phi tuyến chống sét van trong thời gian dòng điện phóng điện đi qua (thường có trị số từ 5 - 10 kA) và được gọi là dòng phối hợp. Điện áp dư của chống sét van và gần với nó là điện áp phóng điện xung kích của khe hở phóng điện phải nhỏ hơn 20 - 25% trị số điện áp phóng điện xung kích của cách điện cần bảo vệ (khoảng phối hợp cách điện). Điện áp phóng điện tần số công nghiêp (Breakdown Voltage) : giá tri hiệu dụng thấp nhất điện áp đặt lên vào chống sét van sẽ gây phóng điện ). Sparkover voltages Sparkover voltages are voltages which cause a surge arrester to discharge, Le. causing sparkover to occur in each of its series gaps. The magnitude of the sparkover voltages depends on the time relationship, Le. the waveform. The relationship for the lightning impulse sparkover voltage is illustrated in the impulse sparkover voltage characteristic. 3/31/2014 Page 28
29. Power-frequency sparkover voltage The power-frequency sparkover voltage is quoted as a root mean square value in kV and is the lowest peak value, divided by {2, of a voltage at which a surge arrester will sparkover. The power-frequency sparkover voltage is of no significance in coordinating the insulation sinee power-frequency voltages of the magnitude of the powerưfrequency sparkover voltage do not occur, and must not be allowed to occur, and overvoltages that do attain the magnitude of the power-frequency sparkover voltage are of higher freưquency. Nevertheless, the power-frequency sparkover voltage is still included in ail standards and specifications. Its peak value is often used as a substitute for the switching impulse sparkover voltưage, although the two values are not the same. Since the power-frequency sparkover voltage is easy to measure in any test facility, it is used as a routine test for the purpose of production control and as an intermediate check for type-testưing and acceptance testing. It is reưlated to the other sparkover voltages through physical design and so reveals any changes in the discharge characưteristics of the surge arrester. IEC and other standards and specificaưtions only give a lower limit for powerưfrequency sparkover voltage. The purưpose is to prevent the surge arrester discharging unnecessarily in response to extreme temporary overvoltages and internai overvoltages representing no danger to the insulation. 3/31/2014 Page 29
30. Điện áp phóng điện xung kích (BIL Basic Impulse Level) : mức cách điện xung kích của thiết bị. Standard lightning impulse sparkover voltage This is the peak value in kV of the lowest impulse voltage 1.2/50 ms of positive or negative polarity at which each irnpulse causes the surge arrester to discharge. The U as100 value is repre-sentative of the discharging of an arrester in response to lightning over-voltages. Switching impulse sparkover voltage This is the peak value in kV of the lowest switching irnpulse voltage with front times between 30 and 2000 ms wh en each irnpulse causes the surge arrester to discharge. The maximurn switching impulse spark-over voltage is a representative value for the discharge characteristics of a surge arrester responding to intemal overvoltages. Since these are not of great signifi-canee in the low and medium-voltage ranges for coordinating the insulation, the maximum switching impulse spark-over voltage is only quoted for high-voltage surge arresters. 3/31/2014 Page 30
31. High-current impulse i sh This is the peak value in kA of the impulse current of standard waveform 4/10 that the surge arrester or its com-ponent parts must withstand twice during the test (see Table above). High-current impulse was originally intended as a representative value for the stressing caused by close-up and direct lightning strikes. However, meas-urements of actual discharge currents showed that currents of this magnitude hardly ever occurred. Nevertheless, the test was retained in order to verify the mechanical strength of the series gaps and the dielectric strength of the resis-tors of the gapped arrester. Moreover, the current impulse is used in the oper-ating dut Y test of the metal-oxide arresters. Peak value of high- current impulse, waveform Standard Arrester classification 4/10 kA Test performed on: 100 DIN VDE 10 kA 5kA 65 10 kA "light dut y" and"heavy dut y" 100 IEC 5 kA 65 complete arresters up to 1 2 kV rated voltage, and arrester sections for 2.5 kA 25 higher rated voltages 1.5 kA 10 "station valve" 100 ANSI "intermediate valve" and "distribution valve" 65 3/31/2014 Page 31
32. Dòng điện phóng điện định mức : dòng điện qua chống sét van sau khi phóng điện và do sóng quá điện áp lan truyền trên đường dây. Dòng điện kế tục (Max. short-circuit current) : dòng điện duy trì bởi điện áp làm việc của lưới điện (dòng điện tần số công nghiệp) sau khi dòng điện sét đi qua chống sét van. Điện trở của các phần tử phi tuyến ở điện áp làm việc tăng rất nhanh, dòng điện kế tục được hạn chế và khi dòng điện này đi qua trị số không hồ quang trong khe hở phóng điện được dập tắt. 3/31/2014 Page 32
33. Khe hở phóng điện Sự làm việc của chống sét van bắt đầu từ việc đánh thủng khe hở phóng điện và kết thúc bằng việc dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục đi qua nó. § iÖn cùc cao ¸ p § iÖn trë ph©n § iÖn dung song song bè ¸p § iÖn dung ®èi ví i ®Êt Đối với mạng cao áp, để có được đặc tính V-S Khe hë phãng ®iÖn bằng phẳng khe hở phóng điện lại gồm nhiều phần tử ghép nối tiếp. PhÇn tö cña chèng sÐt § iÖn trë phi tuyÕn Trong từng khe hở phóng điện, điện cực dùng các tấm đồng cách ly bởi một vòng đệm bằng mica dày 1mm. Điện áp phân bố không đều dọc theo chuỗi sẽ làm cho quá trình phóng điện kế tiếp sẽ xảy ra nhanh chóng trên tất cả các khe hở phóng điện. 3/31/2014 Page 33
34. Điện trường giữa các điện cực đạt được mức gần đồng nhất. Mặt khác khi có điện áp, điện trường giữa điện cực và lớp màng mica tăng nên quá trình ion hoá sớm xuất hiện. Các yếu tố trên tạo điều kiện cho quá trình phóng điện phát triển dễ dàng và làm cho đường đặc tính vôn giây có dạng phẳng ngang. Trong một số loại chống sét van, song song với một điện trở trị số lớn và một tụ điện bé. Bộ phận này có nhiệm vụ san bằng phân bố điện áp trên tất cả các khe hở phóng điện Dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục bằng khe hở nhiều tầng được dựa trên tính không ổn định của quá trình cháy của hồ quang ngắn với các điện cực nguội. Sau khi dập tắt hồ quang quá trình khôi phục cách điện từ từ được phục hồi. Sau khi dòng điện sét đi qua, chống sét van chỉ còn chịu tác dụng của điện áp làm việc của mạng. Điều này khiến hồ quang điện tiếp tục duy trì vì dòng điện tiếp tục qua điện trở phi tuyến (gọi là dòng điện kế tục) vẫn còn giá trị lớn. Để không phá huỷ khe hở phóng điện cũng như điện trở phi tuyến hồ quang điện phải được dập tắt khi dòng điện qua trị số không lần đầu tiên. 3/31/2014 Page 34
35. Trị số điện áp xoay chiều tần số công nghiệp lớn nhất trên chống sét van mà hồ quang có thể được dập tắt, gọi là điện áp dập hồ quang. Dập hồ quang của dòng điện kế tục có thể thực hiện trong trường hợp ngắn mạch chạm đất, nên điện áp dập hồ quang được chọn bằng điện áp xuất hiện trên các pha lành khi xảy ra chạm đất một pha : U dhq K.U K là hệ số phụ thuốc vào phương thức nối đất điểm trung tính. Với các mạng điện trung tính nối đất K=0,8, còn với các thiết bị trung tính cách điện K=1,1. Tác dụng dập hồ quang của khe hở phóng điện của chống sét van có khe hở được đặc trưng bởi hệ số dập hồ quang : U pd K dhq U dhq Upd - điện áp phóng điện của khe hở phóng điện ở điện áp xoay chiều tần số công nghiệp. 3/31/2014 Page 35
36. Tính chất phi tuyến của các phiến điện trở phi tuyến càng lớn (hệ số phi tuyến càng nhỏ) làm giảm điện áp dư, do đó làm giảm hệ số bảo vệ Kbv. Mặt khác dòng điện cho phép qua chống sét van ứng với điện áp dập hồ quang càng lớn, nếu điện áp dư càng bé với đặc tính vôn - ampe không đổi. Vậy hệ số bảo vệ của chống sét van không chỉ phụ thuộc tính chất phi tuyến của van chống sét mà còn xác định bởi cấu tạo của khe hở phóng điện vì dòng điện dập hồ quang phụ thuộc khe hở phóng điện. Tăng dòng điện kế tục của chống sét van cho phép giảm điện trở phi tuyến và do đó giảm điện áp dư. Laọi chống sét van chỉ gồm một khe hở phóng điện có hệ số bảo vệ bằng 2,6, với loại chống sét van từ hệ số bảo vệ có thể đạt 2,2. Có thể giảm hệ số bảo vệ tiếp bằng cách sử dụng các khe hở hạn chế dòng điện, trong đó dòng điện kế tục với từ trường sẽ được thổi về khe hở nhỏ, tái hợp, điện trở của hồ quang tăng, điện áp rơi trên khe hở phóng điện lớn. Hệ số bảo vệ có thể giảm tới 1,7. 3/31/2014 Page 36
37. Mỗi loại chống sét van đều có một trị số giới hạn về dòng điện kế tục mà hồ quang có thể dập tắt ngay từ lần qua trị số không lần đầu tiên. Trong vấn đề dập tắt hồ quang của dòng điện kế tục, chủ yếu vẫn là tìm các biện pháp dập hồ quang có hiệu quả nhất để tăng giới hạn của dòng điện kế tục. Điều đó không chỉ liên quan đến sự làm việc của bản thân chống sét van mà còn có thể giảm mức cách điện của các thiết bị trong trạm. Ví dụ trong loại chống sét van từ, dùng từ trường để dập tắt hồ quang đã nâng cao giới hạn dòng điện kế tục từ 80-110A tới 250A do đó số tấm điện trở không đường thẳng sẽ ít hơn, điện áp dư của chống sét van hạ thấp và yêu cầu về mức cách điện xung kích của thiết bị được giảm nhẹ. Để tăng cường năng lực thông thoát, đường kính của tấm tăng đến 150mm. Với đường kính này, trị số cho phép của dòng điện kế tục tăng gấp đôi so với loại xhống sét van thông thường (đường kính 100mm). 3/31/2014 Page 37
38. Chống sét van có khe hở Trong loại chống sét van từ, kết cấu của khe hở phóng điện gồm hai điện cực đồng tâm và được đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu. Hồ quang xuất hiện giữa hai điện cực do phóng điện dưới tác dụng của từ trường sẽ chuyển động với tốc độ lớn dọc theo khe hở vòng xuyến, dễ bị thổi tắt. Năng lực thông thoát dòng điện xung kích có dạng sóng vuông góc và độ dài đến 2ms của các tấm điện trở phi tuyến đường kính 150mm có thể đạt tới 400A, trị số này phù hợp với các tham số của quá điện áp nội bộ trong các lưới điện điện áp đến 220 kV. Loại chống sét van từ có khả năng hạn chế quá điện áp nội bộ trong các lưới điện này. ở điện áp cao hơn 330 kV để có thể hạn chế quá điện áp nội bộ còn phải tăng năng lực thông thoát dòng điện nhiều hơn nữa. 3/31/2014 Page 38
39. Tác dụng bảo vệ của chống sét van có khe hở được đặc trưng bởi hệ số dập bảo vệ : U d Kbv Upd - điện áp dư của chống sét van. 2U dhq Dòng điện xung lớn đi qua chống sét van sẽ gây nên điện áp dư trên các phần tử phi tuyến. Chống sét van có khả năng thông thoát nhất định, đó là số lần thông dòng điện xung kích có thông số xác định mà không gây phá huỷ các tấm điện trở phi tuyến này. Năng lượng của xung dòng điện phụ thuộc vào biên độ và độ dài của nó. Quá điện áp sét đặ trưng bởi biên độ rất lớn nhưng thời gian tồn tại lại rất ngắn. Quá điện áp khí quyển, ngược lại có biên độ bé hơn nhưng thời gian lại dài hơn (2 ms và lớn hơn). Do vậy khả năng thông thoát của chống sét van được xác định với giá trị lớn nhất của xung dòng điện 20/40ms và xung vuông góc với độ dài 2 ms (trong một số trường hợp sử dụng xung dòng điện 3/6ms). Số lần chịu các xung này không dưới 20 lần. Toàn bộ các điện phi tuyến và các khe hở được đặt trong vỏ sứ kín để hơi ẩm không lọt vào làm ảnh hưởng đến các đặc tính của chống sét van. Để có tiếp xúc tốt mọi bộ phận trên được ép bằng lò xo. Ví dụ loại chống sét van PBC 35 của Nga gồm 32 khe hở phóng điện nhỏ ghép nối tiếp với 11 tấm điện trở phi tuyến đường kính 100mm, cao 60mm. Điện trở tiếp xúc giữa các tấm điện trở phi tuyến thực hiện bằng cách mạ kim loại trực tiếp bề mặt của chúng. Tờt ảc các chi tiết trên đặt trong vỏ sứ. Các chống sét van nhóm I có đặc tính tốt hơn cả, sau đó là đến nhóm II, III và IV 3/31/2014 Page 39
40. Lo¹i chèng sÐt van §iÖn ¸p, kV §iÖn ¸p lín §iÖn ¸p §iÖn ¸p phãng §iÖn ¸p d- víi dßng ®iÖn xung 8ms vµ biªn nhÊt phãng ®iÖn xung kÝch ®é, kA ®iÖn 3 5 10 TrÞ sè hiÖu dông TrÞ sè lín nhÊt 3 I PBT, PBPD 3,8 7,5-9 7 7 8 9 II PBM 7,5-9 8 9 9,5 11 IV PB, PBO 9-11 20 13 14 - 6 I PBT, PBPD 7,6 15-18 14 14 16 18 II PBM 15-18 15,5 17 18 20 IV PB, PBO 16-19 32 25 27 - 10 I PBT, PBPD 12,7 25-30 23,5 23,5 26,5 30,5 II PBM 25-30 25.5 28 30 33 IV PB, PBO 26-30,5 48 43 45 - 20 I PBM 25 42-48 66 50 54 60 II PBC 47-56 74 62 67 74 III 49-60,5 80 75 80 88 35 I PBM 40,5 73-84 108 80 87 98 II PBC 75-90 116 97 105 116 III 78-98 125 122 130 143 110 I PBT 100 150-170 230 195 295 330 II PBM 170-195 260 245 370 410 III PBC 200-250 285 315 465 510 220 I PBT 200 300-340 445 390 430 480 II PBM 340-390 515 475 515 570 III PBC 400-500 530 630 670 734 500 I PBT 420 630-725 940 805 890 1010 II PBM 660-760 1040 985 1070 1180 3/31/2014 Page 40
41. Chống sét van không khe hở Sự vắng mặt các khe hở phóng điện làm cho các điện trở phi tuyến ZnO luôn luôn đặt dưới điện áp của mạng điện nên nó vẫn dãn điện. 3/31/2014 Page 41
42. Tuy nhiên dưới tác dụng của điện áp danh định của lưới điện, dòng điện rò qua các điện trở phi tuyến này rất bé (nhỏ hớn 10 mA). Nguyên lý hoạt động của loại chống sét van này rất đơn giản dựa trên đặc tính rất phi tuyến của các van ZnO. Tính chất phi tuyến này thể hiện ở chỗ điện trở giảm từ 1,5 MW xuống 15 W khi thay đổi từ điện áp làm việc sang dòng điện phóng điện sét Với loại chống sét van không khe hở các điện trở phi tuyến được đặt trong vỏ bọc kín bằng : sứ cho hầu như tất cả các cấp điện áp vật liệu tổng hợp (composit sợi thuỷ tinh) đối với chống sét van mạng phân phối. Loại này là kỹ thuật mới nhất gần đây cho phép chế tạo những loại chống sét van khối lượng nhẹ hoưn nhiều, ít vỡ, các phần tử được bảo vệ tốt hơn chống lại độ ẩm, tác nhân chủ yếu gây hỏng hóc chống sét van. Phía ngoài của các chống sét van này được phủ polyme silicone đê có thể chịu đựng môi trường và hạn chế dòng điện rò qua chống sét van 3/31/2014 Page 42
43. Điện trở phi tuyến trên cơ sở ZnO Điện trở phi tuyến trên cơ sở ZnO là một vật liệu gốm gồm tinh thếbán dẫn điện trên cơ sở vật liêụ ZnO có điện trở suất rất thấp được liên kết bằng các oxit kim loại (Bi2O3, MnO, Sb2O3, ). Liên kết giữa các vật liệu này là cốt lõi của tính chất van mà hiệu ứng chính là đặc tính phi tuyến của điện trở suất với điện áp tác dụng 3/31/2014 Page 43
44. Các đặc tính cơ bản của chống sét van loại không khe hở dùng ZnO là Điện áp định mức của chống sét van (Maximum Rated Voltage) : trị số điện áp lớn nhất giá trị hiệu dụng tần số công nghiệp cho phép đặt lên chống sét van mà không gây ra phóng điện nguy hiểm (1,25 x MCOV). Điện áp làm việc lớn nhất (MCOV - Maximum Continuous Operating Voltage) : điện áp lớn nhất mà chống sét van có thể chịu đựng (phải lớn hơn điện áp lớn nhất của lưới ít nhất là 5 %). Điện áp dư (Residual Voltage) là điện áp xuất hiện trên các phần tử phi tuyến chống sét van trong thời gian dòng điện phóng điện đi qua (thường có trị số từ 5 - 10 kA) và được gọi là dòng phối hợp. Điện áp dư của chống sét van và gần với nó là điện áp phóng điện xung kích của khe hở phóng điện phải nhỏ hơn 20 - 25% trị số điện áp phóng điện xung kích của cách điện cần bảo vệ (khoảng phối hợp cách điện). Điện áp phóng điện xung kích (BIL Basic Impulse Level) : mức cách điện xung kích của thiết bị. Dòng điện phóng điện định mức : dòng điện qua chống sét van sau khi phóng điện và do sóng quá điện áp lan truyền trên đường dây. 3/31/2014 Page 44
45. 3/31/2014 Page 45
46. 3/31/2014 Page 46
47. Lựa chọn chống sét van Surge arresters are selected according to the following criteria: Rated voltage (gapped [siliconư carbide] surge arresters) Rated voltage, continuous operatưing voltage (metal-oxide surge arưresters) Nominal discharge current Long-duration discharge current or energy absorption capacity Short-circuit current strength Altitude of installation . Special requirements. Rated voltage (gapped [siliconưcarbide] surge arresters) With gapped (silicon-carbide) surge arresters the maximum power-frequency voltage at the terminais of the arrester must not exceed its rated voltage either in normal operation or when there is a fault in the system. If the rated voltage is deliberately exeeded for certain appliưcations, it will be necessary to assess the degree of risk involved in overloadưing the arrester. Rated voltage and continuous operating voltage (metal-oxide surge arresters) Metal-oxide surge arresters are able to withstand higher voltages for short periưods than in normal continuous operưation. ln such a situation the magnitude and duration of the temporary overvoltages anticipated at the arrester terminais must not exceed the values of the power-frequency voltage/time characưteristic related to the rated voltage U r. Under normal operating conditions the continuous voltage at the terminais of the arrester must not exceed the conưtinuous operating voltage U c. 3/31/2014 Page 47
48. Surge arresters between phase and earth Surge arresters are most frequently inưstalled between phase and earth. Faults with earth occurring in the system give rise to temporary overvoltages on the arresters. Since their magnitude and duration depend on the type of neutral earthing employed in the system, selecưtion of a suitable surge arrester must differentiate between systems with diưrect or impedance neutral earthing and systems with an isolated neutral or with earth- fault neutralization. Systems with direct or impedance earthing During normal operation, surge arrestư ers are continuously subjected to the normal phase-to-earth voltage U y. At the maximum permitted value of conưtinuous operating voltage U m the maxiưmum phase-to-earth voltage U Ym is as follows: 1 U Ym = U m / 13 During an earth fault the voltage of the healthy phase-to-earth increases tempoưrarily by the earth fault factor 8 to the voltage ULE until the earth fault is cleared. IULE=8.UY The duration of this temporary overvoltưage is <10 s. The value of earth fault factor 8 depends on the ratio of posiưtive-phase-sequence impedance to zero-phase-sequence Impedance of the system. Neglecting the equivalent resistances (allowed for tolerable accuracy with high-voltage systems) gives the earth fault factor 8 as follows: X1 = Positive-phase-sequence reactance of the system Xo = Zero-phase-sequence reactance of the system 3/31/2014 Page 48
49. ln systems with direct-earthed transưformer neutrals the earth fault factor is usually maintained at 8 ::; 1.4 ("effectiveưIy earthed"). ln systems with impedance earthing the earth fault factor is usually higher; between 1.4 and 1.7 ("not effecưtively earthed"). Therefore, the rating of surge arresters for systems with direct or impedance earthing is performed as follows: for gapped (silicon-carbide) arresters 1 Rated voltage U 1 _ 8. U m / 13 for metal-oxide arresters Rated voltage Ur_8.um/13 Continuous operating voltage U r _ 1.05. U m / 13 where U m is the maximum continuous operating voltage allowed at the place of installation (phase-to-phase voltage). ln selecting the rated voltage for surge arresters for use on generator transưformers, it can sometimes be necesưsary to take into account any overưvoltages caused by load shedding (duration :0; 1 to 2 s). With the load shedding factor OL and the earth fault factor 0* for the earthing conditions of the remaining part of the system, selecưtion of the arrester is then also based on 1 U, _ OL' 0*' U m / -v3 or, when 0* <1 lu, _ OL'Um/-v3 ln thermal power stations (cos <p = 0.8) the load shedding factor can reach values of up to 1.3 and, in hydroelectric stations with power-factor correction, values of up to 1.5. If the neutral of the remaining part of the system is not earthed, this requireưment can lead to rated voltages that are too high to allow adequate protecưtion for the generator transformers with appropriately selected arresters. ln such cases a lower rated voltage must be selected and the risk accepted that the arresters might be overloaded if load shedding occurs at the same time as an earth fault. 3/31/2014 Page 49
50. 2. Systems with an isolated neutral or earth-fault neutralization Theoretically, these systems can be operated indefinitely under earth fault conditions. ln actual practice, however, it is more likely to be several hours or even days. During this time the maxiưmum phase-to-earth voltage of the healthy phase is: 1 U LE = U m = -v3. U Ym (earth fault factor 0 = -v3) where U m is the maximum continuous operating voltage allowed at the place of installation (phase-to-phase vOltage). The rated voltage U 1 of gapped (siliconưcarbide) surge arresters is chosen to be greater than or equal to the maxiưmum operating voltage. 1 UI _ Um ln selecting metal-oxide surge arresters for systems with an isolated neutral or earth-fault neutralization, the continuous operating voltage U c is the only governưing factor because the rated voltage U, is always sufficiently high. IUc_Um 3/31/2014 Page 50
51. Surge arresters connected between phases These surge arresters are continu exposed to the phase-to-phase v (e.g. the delta-connected arrester six-surge arrester circuit). Their selection is based on the following: for gapped (silicon-carbide) arresters Rated voltage U 1 _ U m for metal-oxide arresters Continuous operating voltage U c _ 1.05 U m If occasion al temporary overvoltal to be expected at individual placE installation, e.g. due to load shee (load shedding factor od, it will a necessary to select the rated vol1 U, appropriately, thus: IU'_OL'Um The earth fault factor 0 of the sy_ plays no part in this. For gapped (silicon-carbide) surge arresters a correspondingly higher value of r; voltage must be chosen if overve are to be expected. Here too, th, fault factor 0 of the system is neglegted 3/31/2014 Page 51
52. Surge arresters for protecting transformer neutrals Under normal operating conditions a surge arrester at a transformer neutral is not exposed to any voltage. Once again, the magnitude and duration of temporary overvoltages depend on the type of neutral earthing employed, Le. on the ratio of zero-phase-sequence impedance to positive-phase-sequence impedance of the system. For highưvoltage systems the general value of magnitude is as follows: Xo/X1 UME = 2+ Xo/X1 . Uy 1. Systems with direct or impedance earthing For gapped (silicon-carbide) surge arresters ln systems with neutral earthing the neutrals of individual transformers are often not earthed in order to limit the earth fault current. If the insulation of the neutral of such transformers is reưduced compared with the phase insulaưtion, surge arresters of reduced limiting voltage must be employed ln order to provide effective protection. The value of residual voltage at 1 kA is used for determining the limiting voltage required. The necessary rated voltage of the arrester is calculated as follows: when 0 = 1.4, U1 2: 0.4 . Um when 1.4 < 0 < 1.7, UI 2: 0.6 For metal-oxide surge arresters Since the duration of temporary overư voltages in systems with direct or impedance earthing is restricted to times less than 10 s, selection of the rated voltage U r of metal-oxide surge arresters is related to the zero-phaseưsequence impedance and positiveưphase- sequence impedance of the system as follows: 1 Xo/X1 .Cư Ur 2: 2 + Xo / X1 . U m / \/3 3/31/2014 Page 52
53. If the ratio Xo / X1 of the system is not known accurately the earth fault factor of the system can be used instead: 1 when 0 ::; 1.4, Ur 2: 0.73 . U m / .J31 1 when 1.4 ::; 0 ::; 1.7, Ur 2: U m / .J31 ln the case of generator transformers whose neutral is not earthed when load shedding takes place, the load shedding factor OL must also be taken into account. However, as for phase-toưearth surge arresters, lower values of rated voltage must be chosen in exưtreme situations in order to provide adequate protection for the neutral inưsulation. For neutral surge arresters too, in such cases it will be necessary to take into account the risk of a loadưshedding overload occurring simultaneưously with an earth fault. Systems with an isolated neutral or earth-fault neutralization 2. For gapped (silicon-carbide) surge arresters Surge arresters connected to the fully insulated ne ut rai of transformers in sysưtems with a non-effectively earthed neuưtral are generally rated for 80% of the maximum phase-to-phase voltage U m regardless of the coefficient of earthưing and the use of Petersen coils or resistors. Thus: 1 UI 2: 0.8 . Um For metal-oxide surge arresters Since systems with an isolated neutral can theoretically operate indefinitely under earth fault conditions, it is posưsible for the neutrals of transformers to be exposed to the phase-to-earth voltage U y for long periods under norưmal operating conditions. Therefore, the continuous operating voltage U c of neutral surge arresters for such sysưtems is calculated as follows: IUc2:Um/.J3 The rated voltage Ur is of no importance in this case. 3/31/2014 Page 53
54. 2Surge arresters for protecting the tertiary windings of transformers Surge arresters connected between phase and earth to provide protection against capacitive impulse voltages affecting the tertiary side of transformers are designed for the maximum operatưing voltage on the tertiary side: for gapped (silicon-carbide) surge arresters 1 Rated voltage U 1 _ U m for metal-oxide surge arresters Continuous operating voltage Uc_Um If surge arresters are used between phases to give protection against switching surges on the tertiary side resulting from the chopping of low inưductive currents, it is advisable for the voltage on which selection of the surge arrester is based to be slightly higher than that for surge arresters used beưtween phase and earth. This ensures that the surge arrester not overstressed by the operating vc age of the tertiary winding when, for example, the tap-changer setting is 1 favourable and there is a high suppl_ voltage at the same time. Therefore, selection of the surge arrE ers is as follows: for gapped (silicon-carbide) surge arresters 1 Rated voltage U 1 _ U m' (1.1 to 1 for metal-oxide surge arresters Continuous operating voltage U c _ U m' (1,1 to 1, 3/31/2014 Page 54
55. Surge arresters for protecting rotating machines Protection for rotating machines and other sensitive equipment is provided by surge arresters with exceptionally low limiting voltages. If it is possible for the operating voltage to rise sharply under certain fault conditions (e.g. load shedding) this factor must be taken into account in selecting the surge arresters, unless the risk of the surge arresters being overloaded is accepted deliberately in order to give better proưtection. For gapped (silicon-carbide) surge arresters: Rated voltage U 1 = U 1 00 + 8 U/N 100 U N = Rated voltage of machine _ U = Transient voltage jump of the machine in % with full excitation and load shedding The value of transient voltage jump must be obtained from the manufacưturer of the machine. It is usually beưtween 30 and 40% of the rated voltage. For metal-oxide surge arresters: Rated voltage U r _ U 100 + _ U/N 100 Continuous operating voltage : U c _ 1.05. U maxG UmaxG = Maximum generator voltage With metal-oxide surge arresters the transient voltage jumps have an effec on the value of rated voltage Ur. The: must also be suitable for operation at the maximum generator voltage; this i determined by the continuous operatir voltage U c. 3/31/2014 Page 55
56. Selecting rated voltage and continuous operating voltage for metal-oxide surge arresters and rated voltage for gapped (siliconưcarbide) surge arresters for frequently encountered systems The adjacent tables will be found of great assistance in selecting the correct surge arresters for specifie applications. If the required value of rated voltage for a particular type of surge arrester canưnot be found in the tables for gapped (silicon-carbide) surge arresters, use the next higher value instead. Metal-oxide surge arresters are selected according to their continuous operating _ voltage U c, rated voltage U r, or both , together, and depending on the type of neutral arrangement in the system. When selecting according to both voltưages it is essential for neither of the values to be less than the recomưmended values for U c and U r in the table. 3/31/2014 Page 56
57. Selecting gapped (silicon-carbide) surge arresters for more common standard systems Rated voltage of surge arresters for systems with System voltage isolated or Impedance earthed neutral (Earth effectively earthed neutral (Earth fault factor) fault factor) Arrester between Arrester between U n1) Um2) phase and earth Arrester at neutral kV phase and earth kV kV kV kV 3 3.6 3.6 3.6 3.6 6 7.2 7.2 7.2 7.2 10 12 12 9.6 9.6 15 17.5 18 15 15 20 24 24 24 24 30 36 36 30 30 45 52 52 48 48 60 72.5 72 60 60 110 123 132 108 108 - 145 156 120 120 150 170 180 144 144 220 245 - - 204 300 - - 240 - 362 - - 288 380 420 - - 336 - 525 - - 420 3/31/2014 Page 57
58. Selecting metal-oxide surge arresters for more common standard systems Rated voltage and continuous operating voltage of surge arresters for systems with isolated neutral or earth-fault Impedance earthed neutral direct earthed neutral System voltage neutralization (Earth fault factor) (Earth fault factor) (Earth fault factor) phase-to-earth neutral phase-to-earth neutral phase-to-earth neutral Continuou Continuous Continuous Continuous Continuous Continuous Rated Rated Rated s U n1) U m2) operating operating operating operating operating voltage voltage voltage operating voltage voltage voltage voltage voltage kV kV Ur, kV Ur, kV Ur, kV voltage U c, k Uc, kV U c, kV U c, kV U c, kV U c, kV 3 3.6 3.6 4.5 3.6 3 3.6 3.6 3 3.6 3.6 6 7.2 7.2 9 6 6 7.2 7.2 6 7.2 7.2 10 12 12 15 9.6 9.6 12 9 8.2 10 9 15 17.5 17.5 22 12 14 17.5 12 11.8 15 9 20 24 24 30 16.3 19.2 24 15 16.3 20 10 30 36 36 45 24 28.8 36 24 24.5 31 15 45 52 54 72 30 45 60 30 - - - 60 72.5 72 96 45 54 72 45 45 60 36 110 123 120 150 72 90 120 72 76 102 60 - 145 144 192 90 108 144 96 90 120 66 150 170 - - - - - - 104 138 75 220 245 - - - - - - 148 198 108 - 300 - - - - - - 198 264 126 - 362 - - - - - - 225 300 150 380 420 - - - - - - 252 336 168 - 525 - - - - - - 334 444 228 3/31/2014 Page 58