Principi di progettazione degli scaricatori di sovratensione per linee di trasmissione ad alta-tensione

1. Principio di funzionamento fondamentale: caratteristiche di-tensione lineare-corrente

Stato operativo normale (alta resistenza): Sotto la tensione a frequenza industriale, la resistività dei resistori ZnO raggiunge \\(10^{10}-10^{11}Ω·cm\\). La corrente di dispersione è al livello dei microampere (meno di 100 μA), agendo quasi come un circuito aperto senza interferire con il funzionamento del sistema.

Stato operativo di sovratensione (bassa resistenza): Quando un fulmine o una sovratensione di commutazione supera iltensione operativa (tensione di riferimento), la resistenza cala bruscamente di oltre diecimila volte. In pochi nanosecondi si forma un percorso conduttivo a bassa-resistenza per scaricare la corrente del fulmine (da decine a centinaia di kiloampere) e bloccare iltensione residuaal di sotto del livello di resistenza dell'isolamento dell'apparecchiatura.

Stato di recupero (riacquistare un'elevata resistenza): Una volta scomparsa la sovratensione, i resistori ritornano automaticamente allo stato di alta-resistenza e interrompono la frequenza di alimentazione che segue la corrente. La struttura gapless elimina fondamentalmente i problemi attuali.

2. Progettazione strutturale complessiva della linea-tipo MOA

2.1 Componente principale: colonne di resistori ZnO impilate

Composizione materiale: L'ossido di zinco rappresenta oltre il 90% delle materie prime, mescolato con bismuto, antimonio, cobalto e altri ossidi metallici. La miscela viene sinterizzata a una temperatura superiore a 1000 gradi per formare ceramiche policristalline, i cui strati limite dei grani forniscono proprietà elettriche non-lineari.

Modulo di assemblaggio: Più resistori sono collegati in serie per soddisfare i requisiti di tensione di diversi gradi di potenza (ad esempio, centinaia di resistori vengono utilizzati per i sistemi a 220 kV). La connessione parallela a più colonne- migliora la resistenza alla grande capacità di assorbimento di corrente e di energia.

Elettrodi: Su entrambe le estremità sono installati elettrodi metallici in alluminio o rame per garantire una bassa resistenza di contatto e una distribuzione uniforme della corrente.

2.2 Sistema di isolamento e tenuta

Custodia composita: Realizzato in gomma siliconica o etilene propilene diene monomero (EPDM), caratterizzato da eccellente resistenza all'inquinamento, resistenza all'invecchiamento e resistenza meccanica. Fornisce l'isolamento esterno e la sigillatura generale.

Isolamento interno: Cilindri di avvolgimento in fibra di vetro o barre isolanti epossidiche supportano le colonne dei resistori, mantengono la coassialità e sopportano le sollecitazioni meccaniche.

Struttura di tenuta: I cappucci terminali in metallo su entrambe le estremità combinati con gli anelli di tenuta in gomma garantiscono una tenuta completa per impedire l'ingresso di umidità e il degrado delle prestazioni dei resistori.

2.3 Componenti ausiliari

Accessori di montaggio: Progettato per l'installazione a sospensione su torri di trasmissione (tipo a sospensione o a tensione), garantendo stabilità meccanica in caso di vibrazioni del vento e corrente di corto-circuito.

Dispositivi di monitoraggio: Dotato di monitor della corrente di dispersione collegati in serie- e contatori di operazioni per monitorare le condizioni di invecchiamento e registrare i tempi di attivazione.

Anelli di classificazione: installato all'estremità dell'alta-tensione per ottimizzare la distribuzione del campo elettrico, sopprimere la scarica effetto corona e ridurre le scariche parziali.

3. Parametri chiave di progettazione e criteri di selezione

3.1 Progettazione dei parametri elettrici

Tensione nominale (\\(U_r\\)): Non deve essere inferiore alla tensione operativa massima del sistema, per evitare attivazioni involontarie e controllare la corrente di dispersione durante il normale funzionamento.

Tensione di riferimento (\\(U_{ref}\\)): La tensione misurata con una corrente di 1 mA. Normalmente \\(U_r ≈ 0,75-0,8U_{ref}\\), che determina la tensione di soglia per l'attivazione.

Tensione residua (\\(U_{res}\\)): La tensione residua sotto l'impulso del fulmine (8/20 μs) non deve superare \\(2.2U_r\\), e quella sotto l'impulso di commutazione non deve superare \\(1.8U_r\\), per garantire un margine di protezione sufficiente.

Capacità di resistere all'energia: Progettato in base alla corrente massima di fulmine delle linee di trasmissione (ad esempio, 100 kA) e all'energia generata dalle sovratensioni di commutazione, per prevenire guasti dovuti a instabilità termica.

3.2 Progettazione termica

Capacità termica dei resistori: La densità di energia di un singolo resistore non è inferiore a 200 J/cm³. Il layout parallelo a più colonne- disperde il calore in modo efficace.

Percorso di dissipazione del calore: Il calore si trasferisce dai resistori agli elettrodi e ai cappucci terminali, quindi si dissipa nell'aria ambiente tramite convezione naturale. L'alloggiamento composito è progettato con una bassa resistenza termica per evitare il surriscaldamento locale e l'invecchiamento accelerato.

3.3 Progettazione del coordinamento dell'isolamento

Coordinamento con isolatori di linea: La tensione residua dello scaricatore deve essere inferiore alla tensione di scarica degli isolatori di linea, affinché lo scaricatore funzioni preferenzialmente per proteggere gli isolatori.

Correzione per altitudine e inquinamento: Per zone superiori a 1000 metri sul livello del mare la distanza di isolamento esterno aumenta. Per le aree fortemente inquinate vengono adottati alloggiamenti con distanza superficiale maggiore.

4. Vantaggi rispetto ai tradizionali scaricatori di sovratensione

Struttura senza gap: Elimina gli spinterometri in serie, con velocità di risposta a livello di nanosecondi-, nessuna corrente di follow-up e nessun rischio di rottura o invecchiamento del gap, ottenendo così una maggiore affidabilità.

Non-linearità superiore: Il coefficiente non-lineare molto più elevato dei resistori ZnO garantisce una corrente di dispersione inferiore e un controllo più accurato della tensione residua per migliori prestazioni di protezione.

Custodia composita: Sostituisce i tradizionali contenitori in porcellana, con vantaggi di resistenza all'inquinamento, resistenza alla frattura e leggerezza, adatti per installazione a sospensione su linee di trasmissione.

5. Riepilogo dei concetti fondamentali della progettazione