U=СI α ,

где U - напряжение на сопротивлении нелинейного резистора вентильного разрядника, I - ток, проходящий через нелинейный резистор, С - постоянная, численно равная сопротивлению при токе 1 А, α - коэффициент вентильности.

Чем меньше коэффициент α, тем меньше изменяется напряжение на нелинейном резисторе при изменении проходящего через него тока и тем меньше остающееся напряжение на вентильном разряднике.

Величины остающихся напряжений, приводимые в паспорте вентильного разрядника, даются для нормированных импульсных токов. Величины этих токов лежат в пределах 3 000-10000 А.

Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения - происходит пробой запорного слоя отдельных зерен карборунда. Многократное прохождение импульсов тока приводит к полному пробою резистора и разрушению разрядника. Полный пробой резистора наступает тем скорее, чем больше амплитуда и длина импульса тока. Поэтому пропускная способность вентильного разрядника ограничена. При оценке пропускной способности вентильных разрядников учитывается пропускная способность и последовательных резисторов и искровых промежутков.

Резисторы должны выдерживать без повреждения 20 импульсов тока длительностью 20/40 мкс с амплитудой, зависящей от типа разрядника. Например, для разрядников типов РВП и РВО напряжением 3 - 35 кВ амплитуда тока равна 5000 А, типа РВС напряжением 16 - 220 кВ - 10 000 А и типов РВМ и РВМГ напряжением 3 - 500 кВ - 10000 А.

Для повышения защитных свойств вентильного разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности α последовательного нелинейного резистора при одновременном повышении дугогасящих свойств искровых промежутков.

Повышение дугогасящих свойств искровых промежутков дает возможность увеличить сопровождающий ток, обрываемый ими, а следовательно, позволяет уменьшить сопротивление последовательного резистора. Техническое усовершенствование вентильных разрядников в настоящее время идет именно этими путями.

Следует отметить, что в схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может.

Заземления вентильного разрядника и защищаемого им оборудований объединяются. В тех случаях, когда вентильный разрядник по каким-либо причинам имеет отдельное от защищаемого оборудования , величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.

Монтаж разрядников

После тщательного осмотра разрядники устанавливают на опорные конструкции, выверяют по уровню и отвесу с подкладкой в необходимых случаях под цоколь отрезков из листовой стали и закрепляют на опорах с помощью хомута болтами.

Разрядники являются защитными аппаратами. Они предназначены для защиты изоляции электрооборудования от перенапряжений. В распределительных устройствах электроустановок применяются вентильные разрядники, на линиях электропередачи - трубчатые.
Вентильные разрядники состоят из искровых промежутков, включенных последовательно с рабочим резистором, имеющим нелинейную вольт-амперную характеристику. В некоторых разрядниках параллельно искровым промежуткам присоединяют шунтирующие резисторы для равномерного распределения напряжения между ними.
В условных обозначениях разрядников буквы означают: Р - разрядник; В - вентильный, П - подстанционный (поляризованный для разрядников постоянного тока); С - станционный; М - с магнитным дутьем; О - облегченной конструкции; У - униполярный; К - для ограничения коммутационных перенапряжений. Цифры, следующие за буквами в обозначении, означают напряжения разрядника.
Разрядники характеризуются рядом параметров.
Класс напряжения разрядника - номинальное значение напряжения сети, для работы в которой разрядник предназначен.
Наибольшее допустимое напряжение разрядника - эффективное значение наибольшего гарантированного заводом-изготовителем напряжения, при котором разрядник надежно гасит дугу.
Пробивное напряжение разрядника- наибольшая величина плавно нарастающего напряжения в момент пробоя разрядника.
Импульсное пробивное напряжение разрядника - наибольшая величина импульсного напряжения в момент пробоя разрядника при заданном значении предразрядного времени. Предразрядное время - время от начала нарастания импульсного напряжения до момента пробоя разрядника.
Номинальный разрядный ток разрядника - амплитудное значение импульсного тока, который проходит через разрядник после его пробоя.
Ток проводимости разрядника, искровые промежутки которого шунтированы резисторами, - ток, проходящий через разрядник при приложении к нему напряжения постоянного тока заданной величины. У разрядников, не имеющих шунтирующих резисторов, измеряемый при этом ток называется током утечки.
Вентильные разрядники переменного тока служат основным средством ограничения перенапряжений и защиты от них.
Разрядник РВП-6 показан на рис. 1. Он состоит из многократных искровых промежутков 12 и последовательно включенных нелинейных вилитовых резисторов б, размещенных в фарфоровом корпусе 7 и сжатых спиральной пружиной 3. Блок многократных искровых промежутков включает несколько последовательно соединенных единичных искровых промежутков, помещенных в бумажно-бакслитовый цилиндр 4. Единичный искровой промежуток состоит из двух фигурных латунных электродов, приклеенных к изоляционной меканитовой или электрокартонной прокладке. Нелинейный последовательный резистор набирается из вилитовых (вилит-запеченная смесь карборунда с жидким стеклом), обладающих вентильными свойствами, то есть сопротивление карборунда изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем ниже его сопротивление, и наоборот. Количество искровых промежутков в блоке и вилитовых дисков в колонке зависит от величины номинального напряжения разрядника. Плоскости, которыми соприкасаются диски, для лучшего контакта металлизируют алюминием, а боковые поверхности вилитовых дисков для преграждения пути токам утечки покрывают изолирующей обмазкой. Для предотвращения смещения вилитовых дисков ставятся фетровые или войлочные прокладки 5. Вилит невлагостоек и при отсыревании его вентильные свойства ухудшаются. Поэтому разрядник герметизируется уплотнением 2 из озоностойкой резины и закрывается сверху металлическим колпаком 13. К несущей конструкции разрядник присоединяется хомутом 11, к токоведущим проводам - болтом 1, а к заземлению - шпилькой 9. Таким образом, разрядник включается между фазой электроустановки и контуром заземления параллельно защищаемой изоляции.

Рис. 1. Разрядник типа РВП-6
В нормальном режиме работы искровые промежутки обеспечивают изоляцию между фазой и землей. Как только возникает перенапряжение, опасное для изоляции электроустановки, происходит пробой искровых промежутков, в результате чего сеть оказывается соединена с землей через вилитовые диски. В это момент к вилитовым дискам прикладывается максимальное напряжение, поэтому сопротивление их будет наименьшим, а ток замыкания на землю - наибольшим. В результате разряда на землю напряжение в сети снижается, а сопротивление вилитовых дисков возрастает. Дуга переменного тока при прохождении через нуль гаснет, а затем вновь восстанавливается. Когда напряжение, приложенное к разряднику, оказывается недостаточным для поддержания дуги на искровых промежутках, при первом же прохождении тока через нуль его протекание через разрядник прекращается.
Модернизированный разрядник РВП с уменьшенным диаметром искровых промежутков и вилитовых дисков со сниженными габаритами и массой выпускается под наименованием РВО (разрядник вентильный облегченной конструкции).

2. Разрядник типа РВС
Вентильный разрядник РВС (разрядник вентильный станционный) выпускается в виде пяти стандартных элементов: РВС-15, РВС-20, РВС-30, РВС-33 и РВС-35. Из этих элементов комплектуют разрядники на напряжение до 220 кВ. Их устанавливают один на другой и соединяют последовательно. На рис. 2 показан элемент РВС, состоящий из фарфорового кожуха 1, внутри которого находятся вилитовые диски 2 и комплекты искровых промежутков 4, состоящие из нескольких единичных искровых промежутков 3. Каждый комплект заключен в фарфоровый цилиндр 5. Все искровые промежутки и вилитовые диски сжаты спиральными пружинами 6. Фарфоровый кожух закрыт с торцевых сторон крышками, под которыми проложена уплотняющая резина 7. Фарфоровый кожух армирован фланцами 8, которые служат для крепления разрядника к опорной конструкции, а также для присоединения к шинам или проводам. Комплекты искровых промежутков шунтируются подковообразными резисторами 9, предназначенными для равномерного распределения напряжения между ними.
На рис. 3 показан комплект искровых промежутков, состоящий из четырех единичных искровых промежутков. Каждый единичный искровой промежуток включает в себя два фигурных латунных электрода 4, разделенных миканитовой прокладкой. Искровые промежутки размещаются в фарфоровом цилиндре 3, закрытом сверху и снизу латунными крышками 1. К последним присоединяются подковообразные шунтирующие резисторы 2, изготовленные на основе карбоцида.

Рис. 3. Комплект искровых промежутков разрядника

Рис. 4. Блок искровых промежутков разрядника типа РВМ
На напряжение 35-500 кВ нашли применение разрядники магнитовентильные типа РВМ. Они отличаются от других типов разрядников наличием блоков магнитных искровых промежутков (рис. 4). Такие стандартные блоки искровых промежутков, дополненные дисковыми вилитовыми резисторами изготовляются на напряжение 35 кВ. Блок магнитных искровых промежутков состоит из набора единичных искровых промежутков 2, разделенных между собой кольцевыми магнитами 3. Единичный искровой промежуток составляется из двух концентрически расположенных медных электродов 6 и 8, между которыми образуется кольцевая щель 7. Возникающая в щели дуга вращается под действием постоянных магнитов с большой скоростью, что способствует ее быстрому гашению Набор из постоянных магнитов и единичных искровых промежутков помещается внутри фарфоровой покрышки 1, закрытой стальными крышками 5. Магниты и медные электроды плотно сжимаются стальной пружиной 4.

Разрядники – используются для ограничения возникающих перенапряжений с целью облегчения изоляции оборудования. Возникающие перенапряжения делят на две группы: внутренние (коммутационные) и атмосферные.

Первые возникают при коммутации электрических цепей (катушек индуктивностей, конденсаторов, длинных линий) дуговых замыканиях на землю и других процессах. Вторые возникают при воздействии атмосфер-ного электричества. Зависимость максимального напряжения импульса от времени разряда называется вольт-секундной характеристикой. Основным элементом разрядника является искровой промежуток. Вольт-секундная ха-

рактеристика этого промежутка (кривая 1 на рис.) должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемого оборудования (кривая 2). При появлении перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. После пробоя линия заземляется через сопротивление разрядника. При этом напряжение на линии определяется током I, проходящим через разрядник,сопротивлениями разрядника и заземления. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее ограничиваются перенапряжения, т. е. больше разница между возможным (кривая 4) и ограниченным разрядником перенапряжением (кривая 3). Напряжение на разряднике при протекании импульса тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, темлучше качество разрядника.

Трубчатый разрядник – это искровой промежуток дополненный устройством принудитльного гашения дуги, в виде трубки из газогенерирующего материала (фибры, винипласта), т.е. отключение дуги сопровождающего тока к.з производится из-за интенсивного газовыделения трубкой при повышенной t горения.

1-трубка, 2-электрод стержневой, 3- электрод в виде кольца, 4-заземлённый электрод, где имеется буферный обьём5, где накапливается потенциальная энергия сжатого газа. При проходе тока через нуль создается газовое дутье из буферного объема, что способствует эффективному гашению дуги. S 1 , S 2 – искровые промежутки. Спецефическим недостатком ТР является наличие зоны выхлопа, опасной для оборудования и обслужи-вающего персонала. В ТР промежуток образован стержневыми электродами, имеющими крутую вольт-секундную характеристику из-за большой неодно-родности электрического поля. В связи с этим ТР примен: для защ подходов к п/ст; защ маломощ оборуд п/ст 3-10 кВ; защ контакт сети перемен тока.

Вентильные разрядники. Основн элементами явл вилитовые кольца, искровые промежутки и рабочие резисторы. Эти элементы расположены внутри фарфорового кожуха, который с торцов имеет специальные фланцы для крепления и присоединения разрядника. Кожух разрядника герметизируется по торцам с помощью пластин и уплотнительных резиновых прокладок. При появлении переU пробиваются последовательно включенные блоки искровых промежутков. Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю. Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги сопровождающего тока. R этих резисторов велико при Uраб и резко снижается при ­U. В качестве материала нелинейных резисторов используется вилит с коэффиц нелинейности 0,1-0,2. Рабочие резисторы изгот в виде дисков. Единичные искровые промежутки соедин последоват для улучшен условий гашения дуги. Форма электродов обеспечивает равномерное электрическое поле, что позволяет получить пологую вольт-секундную характеристику. Возникновение заряда в закрытом объеме разрядника при малой длительности импульса тока затруднено. Для облегчения ионизации искрового промежутка между электродами помещается миканитовая прокладка.

ОПН – в них используются резисторы с большой нелинейгостью (0.04) на основе оксида цинка (на 110-500 кВ). Эти резисторы позволяют ограничивать комутац переU на уровне на уровне (1,65-1,8)Uф, а грозовые на уровне (2,2-2,4)Uф. Конструкция ОПН выполняется последовательным или паралель набором дисков сопротивлений, причём при Uраб ч/з одну парал колонку резисторов протек ток в n*0.01 mA, т.е. отпадает необходимость в искровом промежутке. Сопровождающий ток, протекающий после срабатывания аппарата, невелик (миллиамперы), так же как и невелика мощность, выделяемая в резисторах. Это позволяет отказаться от последовательного включения нескольких искровых промежутков и дает возможность присоединять ОПН непосредственно к защищаемому оборудованию, что значительно повышает надежность работы.

28.09.2015

Устройство, внешний вид

Независимо от типа разрядники обязательно имеют искровые промежутки, а также резисторы: рабочие и шунтирующие. Далее конструкция помещается в фарфоровый корпус и закрывается во всех фланцах с применением армировочных растворов. Именно такими мы их видим на подстанциях и распределительных устройствах.

Применяется краска, устойчивая к влаге, и эмаль, которые кладутся поверх армировки. Разрядники отличаются классовым напряжением, которое определяет число миканитовых шайб (из них производятся искровые промежутки), а также их соотношением с сопротивлением рабочего резистора.

В процессе работы распределительного устройства, когда напряжение увеличивается до пробивного, сопротивление рабочего резистора, наоборот, падает, что говорит о его нелинейности.

Вилитовые (реже - тервитовые) диски применяются как основа для рабочего резистора. Они отличаются таким свойством как гигроскопичность, что объясняет необходимость герметичности корпуса разрядника и соединительных стыков.

Основные типы разрядников

• Разрядники РВН, РВО, РВЭ, РВП и РВС применяются исключительно для предохранения распределительных устройств и прочего высоковольтного оборудования от сбоев во время грозы. У последних продолжительность импульса меньше по сравнению с коммутационными, что важно для этих типов устройств, ведь их возможности ограничены возможностью погашения дуги искровыми промежутками. Все выводы выходят из состава таких разрядников: конструкция состоит из включенных друг за другом искровых промежутков и рабочего сопротивления.
• РВРД, РВМГ и РВМ: эти разрядники на любом распределительном устройстве способны погасить дугу. Возможность достигается за счет магнитного поля, которое действует от постоянных магнитов: в искровом промежутке дуга растягивается и пропадает. Устройства этих видов способны не только оградить распределительно устройство или другое высоковольтное оборудование от губительного действия грозовых разрядов, но и защитить от коммутационных перенапряжений небольшой продолжительности.
• Разрядники РВМК будут лучшей защитой от коммутационных перенапряжений, они имеют в своей конструкции следующие модули:
• искровой, состоящий исключительно из искровых промежутков,
• вентильный, который представлен только резисторами,
• основной, где расположены и рабочие резисторы, и искровые промежутки.

Устройство и принцип действия разрядников

1.Общие сведения

Трубчатые разрядники

Вентильные разрядники

Разрядники постоянного тока

Ограничители перенапряжений

Длинно-искровые разрядники

1.Общие сведения

При работе электрических установок возникают напряжения, которые могут значительно превышать номинальные значения (перенапряжения). Эти перенапряжения могут пробить электрическую изоляцию элементов оборудования и вывести установку из строя. Чтобы избежать пробоя электрической изоляции, она должна выдерживать эти перенапряжения, однако габаритные размеры оборудования получаются чрезмерно большими, так как перенапряжения могут быть в 6-8 раз больше номинального напряжения. С целью облегчения изоляции возникающие перенапряжения ограничивают с помощью разрядников и изоляцию оборудования выбирают по этому ограниченному значению перенапряжений. Возникающие перенапряжения делят на две группы: внутренние (коммутационные) и атмосферные. Первые возникают при коммутации электрических цепей (катушек индуктивностей, конденсаторов, длинных линий), дуговых замыканиях на землю и других процессах. Они характеризуются относительно низкой частотой воздействующего напряжения (до 1000 Гц) и длительностью воздействия до 1 с. Вторые возникают при воздействии атмосферного электричества, имеют импульсный характер воздействующих напряжений и малую длительность (десятки микросекунд). Электрическая прочность изоляции при импульсах зависит от формы импульса, его амплитуды. Зависимость максимального напряжения импульса от времени разряда называется вольт-секундной характеристикой. Для изоляции с неоднородным электрическим полем характерна резко падающая вольт-секундная характеристика. При равномерном поле вольт-секундная характеристика пологая и идет почти параллельно оси времени.

Рис.1. Согласование характеристик разрядника и защищаемого оборудования

перенапряжение разрядник электрическая установка

Основным элементом разрядника является искровой промежуток. Вольт-секундная характеристика этого промежутка (кривая 1 на рис.1) должна лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемого оборудования (кривая 2). При появлении перенапряжения промежуток должен пробиться раньше, чем изоляция защищаемого оборудования. После пробоя линия заземляется через сопротивление разрядника. При этом напряжение на линии определяется током I, проходящим через разрядник, сопротивлениями разрядника и заземления Rз. Чем меньше эти сопротивления, тем эффективнее ограничиваются перенапряжения, т.е. больше разница между возможным (кривая 4) и ограниченным разрядником перенапряжением (кривая 3). Во время пробоя через разрядник протекает импульс тока.

Напряжение на разряднике при протекании импульса тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника. После прохождения импульса тока искровой промежуток оказывается ионизированным и легко пробивается номинальным фазным напряжением. Возникает КЗ на землю, при котором через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим. Сопровождающий ток может изменяться в широких пределах. Чтобы избежать выключения оборудования от релейной защиты, этот ток должен быть отключен разрядником в возможно малое время (около полупериода промышленной частоты).

К разрядникам предъявляются следующие требования.

Вольт-секундная характеристика разрядника должна идти ниже характеристики защищаемого объекта и должна быть пологой.

Искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированную электрическую прочность при промышленной частоте (50 Гц) и при импульсах.

Остающееся напряжение на разряднике, характеризующее его ограничивающую способность, не должно достигать опасных для изоляции оборудования значений.

Сопровождающий ток частотой 50 Гц должен отключаться за минимальное время.

Разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта.

Рис.2. Обозначение разрядников

На электрических принципиальных схемах в России разрядники обозначаются согласно ГОСТ 2.727-68.

Общее обозначение разрядника

Разрядник трубчатый

Разрядник вентильный и магнитовентильный

Промышленность выпускает вентильные разрядники серий РН, РВН, РНК, РВО, РВС, РВТ, РВМГ, РВРД, РВМ, РВМА, РМВУ и трубчатые.

Разрядник РН - низкого напряжения, предназначен для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования напряжением 0,5 кВ.

Разрядник РВН - вентильный, для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования.

Разрядник РНК предназначен для защиты устройств контроля изоляции вводов высокого напряжения трансформаторов.

Разрядник РВРД - вентильный, с растягивающейся дугой, предназначен для защиты изоляции электрических машин от атмосферных и кратковременных внутренних перенапряжений.

Разрядник РМВУ - вентильный, магнитный, униполярный, предназначен для защиты от перенапряжений изоляции тягового электрооборудования в установках постоянного тока.

Разрядник РА - серии А, предназначен для защиты от перенапряжений обмоток возбуждения крупных синхронных машин (турбогенераторов, гидрогенераторов и компенсаторов) с номинальным током возбуждения до 3000 А.

Разрядник РВО - вентильный облегченной конструкции; разрядник РВС - вентильный станционный; разрядник РВТ - вентильный, токоограничивающий; разрядник PC - вентильный для защиты электроустановок сельскохозяйственного назначения; разрядники серии РВМ, РВМГ, РВМА, РВМК - вентильные с магнитным гашением дуги, модификации Г и А, комбинированные, предназначены для защиты от атмосферных и кратковременных внутренних перенапряжений (в пределах пропускной способности разрядников) изоляции оборудования электрических станций и подстанций переменного тока номинальным напряжением 15-500 кВ.

Трубчатые разрядники РТВ и РТФ - винипластовые или фибробакелитовые, предназначены для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции линий электропередачи и с другими средствами защиты для защиты изоляции электрооборудования станций и подстанций напряжением 3, 6, 10, 35, 110 кВ.

Трубчатые разрядники

Рис.3. Трубчатый разрядник

Трубчатый разрядник (рис.3) при нормальной работе установки отделен от линии воздушным промежутком S2. При появлении перенапряжения пробиваются промежутки S1 и S2 и импульсный ток отводится в землю. После прохождения импульсного тока по разряднику течет сопровождающий ток промышленной частоты. В узком канале обоймы (трубки) 1 из газогенерирующего материала (винипласта или фибры) в промежутке S1 между электродами 2 и 3 загорается дуга. Внутри обоймы поднимается давление. Образующиеся газы могут выходить через отверстие в кольцевом электроде 3.При прохождении тока через нуль происходит гашение дуги под действием охлаждения промежутка S1 газами, выходящими из разрядника. В заземленном электроде 4 имеется буферный объем 5, где накапливается потенциальная энергия сжатого газа. При проходе тока через нуль создается газовое дутье из буферного объема, что способствует эффективному гашению дуги.

Предельный отключаемый ток промышленной частоты определяется механической прочностью обоймы и составляет 10 кА для фибробакелитовой обоймы и 20 кА для винипластовой, упрочненной стеклотканью на эпоксидной смоле. Сопровождающий ток частотой 50 Гц определяется местом расположения разрядника и меняется в довольно широком диапазоне в зависимости от режима работы энергосистемы. Поэтому должны быть известны минимальные и максимальные значения тока КЗ в месте установки разрядника.

Минимальный ток разрядника определяется гасящей способностью трубки. Чем меньше диаметр выхлопного канала, чем больше его длина, тем меньше нижний предел отключаемого тока. Однако при больших токах в трубке возникает высокое давление. При недостаточной механической прочности трубки может произойти разрушение разрядника. В настоящее время выпускаются винипластовые разрядники высокой прочности с наибольшим отключаемым током до 20 кА.

Работа трубчатого разрядника сопровождается сильным звуковым эффектом и выбросом газов. Так, зона выброса газов разрядника PTB-I10 имеет вид конуса с диаметром 3,5 и высотой 2,2 м. При размещении разрядников необходимо, чтобы в эту зону не попадали элементы, находящиеся под высоким потенциалом.

Защитная характеристика разрядника в значительной степени зависит от вольт-секундной характеристики искрового промежутка. В трубчатом разряднике промежуток образован стержневыми электродами, имеющими крутую вольт-секундную характеристику из-за большой неоднородности электрического поля. В то же время электрическое поле в защищаемых аппаратах и оборудовании стремятся сделать равномерным с целью более полного использования изоляционных материалов и уменьшения габаритов и массы. При равномерном поле вольт-секундная характеристика получается пологой, практически мало зависящей от времени. В связи с этим трубчатые разрядники, имеющие крутую вольт-секундную характеристику, непригодны для защиты подстанционного оборудования. Обычно с их помощью защищается только линейная изоляция (изоляция, создаваемая подвесными изоляторами). При выборе трубчатого разрядника необходимо рассчитать возможный минимальный и максимальный ток КЗ в месте установки и по этим токам выбрать соответствующий разрядник. Номинальное напряжение разрядника должно соответствовать номинальному напряжению сети. Размеры внутреннего S1 и внешнего S2 промежутков выбираются по специальным таблицам.

Вентильные разрядники

Рис. 4. Вентильный разрядник (а) и его искровые промежутки в увеличенном масштабе (б)

Разрядник типа PBC-1O (разрядник вилитовый станционный на 10 кВ) показан на рис.4,а. Основными элементами являются вилитовые кольца 1, искровые промежутки 2 и рабочие резисторы 3. Эти элементы расположены внутри фарфорового кожуха 4, который с торцов имеет специальные фланцы 5 для крепления и присоединения разрядника. Рабочие резисторы 3 изменяют свои характеристики при наличии влаги. Кроме того, влага, оседая на стенках и деталях внутри разрядника, ухудшает его изоляцию и создает возможность перекрытия. Для исключения проникновения влаги кожух разрядника герметизируется по торцам с помощью пластин 6 и уплотнительных резиновых прокладок 7.

Работа разрядника происходит в следующем порядке. При появлении перенапряжения пробиваются три последовательно включенных блока искровых промежутков 2 (рис.4,б). Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю. Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги сопровождающего тока.

После пробоя искровых промежутков напряжение на разряднике

Если сопротивление разрядника Rр определяемое рабочими резисторами, линейное, то напряжение на разряднике растет пропорционально току и может стать выше допустимого для защищаемого оборудования. Для ограничения напряжения Uр сопротивление Rр выполняется нелинейным и с ростом тока уменьшается. Зависимость между напряжением и током в этом случае выражается как

где А -постоянная, характеризующая напряжение на сопротивлении Rp при токе 1 А; α -показатель нелинейности. Случай, когда α=0, является идеальным, так как напряжение Up не зависит от тока.

Описанные разрядники получили название вентильных, потому что при импульсных токах их сопротивление резко падает, что дает возможность пропустить большой ток при относительно небольшом падении напряжения.

Рис.5. Вольт-амперная характеристика вилитового резистора

В качестве материала нелинейных резисторов широко применяется вилит. В области больших токов его показатель нелинейности α=0,13-0,2. Типичная вольт-амперная характеристика вилитового резистора приведена на рис.5,а. При небольших токах сопротивление Rp велико и напряжение линейно растет с ростом тока (область А). При больших токах сопротивление резко уменьшается и напряжение Uр почти не растет (область В).

Основу вилита составляют зерна карборунда SiC с удельным сопротивлением около 10-2 Ом·м. На поверхности карборундовых зерен создается пленка оксида кремния SiO2 толщиной 10-7 м, сопротивление которой зависит от приложенного к ней напряжения. При небольших напряжениях удельное сопротивление пленки составляет 104-106 Ом·м. При увеличении приложенного напряжения сопротивление пленки резко уменьшается, сопротивление определяется в основном зернами карборунда и падение напряжения ограничивается..

Рабочие резисторы изготавливаются в виде дисков диаметром 0,1-0,15 м и высотой (20-60)·10-3 м. С помощью жидкого стекла зерна карборунда прочно связываются между собой.

Вилит очень гигроскопичен. Для защиты от влаги цилиндрическая поверхность дисков покрывается изолирующей обмазкой. Торцевые поверхности являются контактными и металлизируются.

Обычно несколько рабочих резисторов в виде дисков соединяются последовательно (на рис.3,а изображено 10 дисков). При наличии n дисков остающееся напряжение

Для уменьшения остающегося напряжения число дисков n должно быть как можно меньше.

При прохождении тока температура дисков повышается. При протекании импульса тока большой амплитуды, но малой длительности (десятки микросекунд) резисторы не успевают нагреваться до высокой температуры. При длительном протекании даже небольших токов промышленной частоты (один полупериод равен 10 мс) температура может превысить допустимое значение, диски теряют свои вентильные свойства, и разрядник выходит из строя.

Предельно допустимая амплитуда импульса тока для диска диаметром 100 мм равна 10 кА при длительности импульса 40 мкс. Допустимая амплитуда прямоугольного импульса с длительностью 2000 мкс не превышает 150 А. Такие токи диск без повреждения пропускает 20-30 раз.

После прохождения импульсного тока через разрядник начинает протекать сопровождающий ток, представляющий собой ток промышленной частоты. По мере приближения тока к нулевому значению сопротивление вилита резко увеличивается, что ведет к искажению синусоидальной формы тока. Увеличение сопротивления цепи ведет к уменьшению тока и угла сдвига фаз φ между током и напряжением (φ->0). На рис.5,б показаны кривые токов в рабочем резисторе. Здесь 1 -напряжение источника 50 Гц; 2 -кривая тока цепи, определяемого индуктивным сопротивлением Х; 3 -кривая тока, определяемого рабочим резистором (Rр>>X). Из-за нелинейности резистора Rp уменьшается возвращающееся напряжение (напряжение промышленной частоты). Уменьшение скорости подхода тока к нулю уменьшает мощность дуги в области нулевого значения тока. Все это облегчает процесс гашения дуги, горящей между электродами разрядного промежутка. Благодаря применению латунных электродов в искровых промежутках после прохода тока через нуль около каждого катода образуется промежуток, электрическая прочность которого 1,5 кВ. Это обеспечивает гашение сопровождающего тока при первом прохождении тока через нуль и позволяет погасить дугу в искровых промежутках без применения специальных дугогасительных устройств.

Устройство искрового промежутка вентильного разрядника ясно из рис.4,б. Форма электродов обеспечивает равномерное электрическое поле, что позволяет получить пологую вольт-секундную характеристику. Расстояние между электродами принимается (0,5-1)·10-3 м.

Возникновение заряда в закрытом объеме разрядника при малой длительности импульса тока затруднено. Для облегчения ионизации искрового промежутка между электродами помещается миканитовая прокладка. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха значительно меньше, чем у входящей в состав миканита слюды, то в приэлектродном объеме воздуха возникают высокие градиенты электрического поля, вызывающие его начальную ионизацию. Образующиеся электроны приводят к быстрому формированию разряда в центре искрового промежутка.

Экспериментально установлено, что одиночный искровой промежуток способен отключить сопровождающий ток с амплитудой 80-100 А при действующем значении напряжения 1-1,5 кВ. Число единичных промежутков выбирается исходя из этого напряжения. Количество дисков рабочего резистора должно быть таким, чтобы максимальное значение тока не превысило 80-100 А. При этом гашение дуги обеспечивается за один по л у пери од.

Для обеспечения равномерной нагрузки при промышленной частоте промежутки шунтируются нелинейными резисторами 1 (рис.4). Термическая стойкость дисков рассчитана на пропускание сопровождающего тока в течение одного-двух полупериодов.

Внутренние перенапряжения имеют низкочастотный характер и могут длиться до 1 с. Вследствие малой термической стойкости вилит не может быть использован для ограничения внутренних перенапряжений. Для ограничения внутренних перенапряжений используется аналогичный вилиту материал тервит, обладающий большой термической стойкостью и повышенным показателем нелинейности α=0,15- 0,29.

Рис.6. Комбинированный разрядник с тервитовыми резисторами

Тервитовые диски используются в комбинированных разрядниках (рис.6,а), предназначенных для защиты как от внутренних (коммутационных), так и от внешних (атмосферных) перенапряжений. При внутренних перенапряжениях работают оба нелинейных резистора НР1 и НР2 (кривая 1 иа рис.6,б). При атмосферных перенапряжениях из-за большого тока напряжение на НР2 пробивает промежуток ИП2 и напряжение на защищаемой линии снижается (кривая 2).

Вентильные разрядники работают бесшумно. Число срабатываний фиксируется специальным регистратором, который включается между нижним выводом разрядника и заземлением. Наиболее надежны электромагнитные регистраторы, якорь которых при прохождении импульсного тока воздействует на храповой механизм счетного устройства.

С помощью искровых промежутков, показанных на рис. 4,б невозможно отключение токов 200-250 А. В этом случае для гашения дуги применяются камеры магнитного дутья с постоянным магнитом. Дуга, возникающая в искровом промежутке, под воздействием магнитного поля загоняется в узкую щель с керамическими станками. На этом принципе созданы разрядники на напряжение до 500 кВ. Увеличение диаметра дисков до 150 мм позволяет поднять их термическую стойкость. В результате комбинированные магнитно-вентильные разрядники позволяют ограничивать как внутренние, так и атмосферные перенапряжения.

Основные характеристики вентильного разрядника:

Напряжение гашения Uгаш - наибольшее приложенное к разряднику напряжение промышленной частоты, при котором надежно обрывается сопровождающий ток. Это напряжение определяется свойствами разрядника. Напряжение промышленной частоты, прикладываемое к разряднику, зависит от параметров схемы. Если при КЗ на землю одной фазы на свободных фазах появляется перенапряжение, то напряжение гашения, прикладываемое к разряднику, определяется уравнением

где Кз - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; Uном - номинальное линейное напряжение сети. Для установок с заземленной нейтралью Кз=0,8, для изолированной нейтрали Кз = l,l.

Ток гашения Iгаш, под которым понимается сопровождающий ток, соответствующий напряжению гашения Uгаш.

Дугогасящее действие искрового промежутка характеризуется коэффициентом

где Uпр - напряжение пробоя частотой 50 Гц искрового промежутка.

Защитное действие нелинейного резистора характеризуется коэффициентом защиты

где Uост - напряжение на разряднике при импульсном токе 5-14 кА. Это напряжение должно быть на 20-25 % ниже разрядного напряжения защищаемой изоляции.

4.Разрядники постоянного тока

Рис.7. Разрядник постоянного тока

Для защиты установок от перенапряжений постоянного тока могут быть применены вентильные разрядники. Однако гашение дуги постоянного тока значительно сложнее, чем переменного. Для использования околоэлектродного падения напряжения требуется очень большое число искровых промежутков, так как на каждой паре электродов напряжение не должно превышать 20-30 В.

Для гашения дуги целесообразно использовать магнитное дутье с помощью постоянных магнитов. Возникающая при этом электродинамическая сила с большой скоростью перемещает дугу в узкой щели из дугостойкого изоляционного материала. В результате интенсивного охлаждения дуги ее сопротивление увеличивается и ток прекращается.

Вентильный разрядник для сети с напряжением 3 кВ постоянного тока показан на рис.7. Рабочий резистор 1 состоит из двух вилитовых дисков, соединенных с двумя искровыми промежутками 2 с магнитным гашением дуги. Надежное контактирование промежутков и дисков достигается с помощью пружины 3, одновременно являющейся токоподводящим элементом. Основные элементы разрядника располагаются в фарфоровом кожухе 6, который закрыт снизу крышкой 7. Герметизация разрядника осуществляется крышкой 4 с резиновым уплотнением 5.

Ограничители перенапряжений

На основе оксида цинка, имеющего резко выраженную нелинейность вольт-амперной характеристики, разработана серия нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на номинальное напряжение 110-500 кВ.

ОПН представляет собой нелинейный резистор с высоким коэффициентом нелинейности α=0,04 (против 0,1 -0,2 для вилита). Он включается параллельно защищаемому объекту (между потенциальным выводом и землей) без разрядных промежутков. Благодаря высокой нелинейности при номинальном фазном напряжении через ОПН протекает ничтожный ток 1 мА. При увеличении напряжения сопротивление ОПН резко уменьшается, ток, протекающий через него, растет. При напряжении 2,2Uф через ОПН протекает ток 104 А. После прохождения импульса напряжения ток в цепи ОПН определяется фазным напряжением сети.

Рис.8. Вольт-амперная характеристика ограничителя ОПН-500

ОПН ограничивают коммутационные перенапряжения до уровня 1,8Uф и атмосферные перенапряжения до (2-2,4)Uф. Из вольт-амперной характеристики ОПН-500 (рис.8) видно, что при снижении перенапряжений с 2Uф до Uф ток, протекающий через резисторы, уменьшается в 106 раз. Сопровождающий ток, протекающий после срабатывания аппарата, невелик (миллиамперы), так же как и невелика мощность, выделяемая в резисторах. Это позволяет отказаться от последовательного включения нескольких искровых промежутков и дает возможность присоединять ОПН непосредственно к защищаемому оборудованию, что значительно повышает надежность работы.

Высокая нелинейность резисторов ОПН (для области больших токов α≈0,04) позволяет значительно снизить перенапряжения и уменьшить габариты оборудования, особенно при напряжении 750 и 1150 кВ.Габаритные размеры и масса ОПН намного меньше, чем у обычных вентильных разрядников того же класса напряжения.

Длинно-искровые разрядники

Авторы идеи РДИ Подпоркин Георгий Викторович, доктор технических наук, профессор Политехнического Университета Санкт - Петербурга, Senior Member IEEE, и Сиваев Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, начали первые эксперименты по разработке длинно - искровых разрядников ещё в 1989 году, а в 1992 было получено авторское свидетельство.

Рис.9. Схема длинно-искрового разрядника

Принцип работы разрядника основан на использовании эффекта скользящего разряда, который обеспечивает большую длину импульсного перекрытия по поверхности разрядника, и предотвращении за счет этого перехода импульсного перекрытия в силовую дугу тока промышленной частоты. Разрядный элемент РДИ, вдоль которого развивается скользящий разряд, имеет длину, в несколько раз превышающую длину защищаемого изолятора линии. Конструкция разрядника обеспечивает его более низкую импульсную электрическую прочность по сравнению с защищаемой изоляцией. Главной особенностью длинно-искрового разрядника является то, что вследствие большой длины импульсного грозового перекрытии вероятность установления дуги короткого замыкания сводится к нулю.

Существуют различные модификации РДИ, отличающиеся назначением и особенностями ВЛ, на которых они применяются.

Основное преимущество РДИ: разряд развивается вдоль аппарата по воздуху, а не внутри его. Это позволяет значительно увеличить срок эксплуатации изделий и повышает их надежность.

Разрядник длинно-искровой петлевого типа (РДИП)

РДИП-10 предназначен для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 6-10 кВ трехфазного переменного тока с защищёнными и неизолированными проводами от индуктированных грозовых перенапряжений и их последствий и рассчитан для работы на открытом воздухе при температуре окружающего воздуха от минус 60 °C до плюс 50 °C в течение 30-и лет.

Разрядник длинно-искровой модульный (РДИМ)

РДИМ предназначен для защиты от прямых ударов молнии и индуктированных грозовых перенапряжений воздушных линий электропередачи (ВЛ) и подходов к подстанциям напряжением 6, 10 кВ трехфазного переменного тока с неизолированными и защищенными проводами.

РДИМ обладает наилучшими вольт-секундными характеристиками, именно поэтому его целесообразно применять для защиты участков линии, подверженных прямым ударам молнии, а также для защиты подходов к подстанциям ВЛ.

РДИМ состоит из двух отрезков кабеля с корделем, выполненным из резистивного материала. Отрезки кабеля сложены между собой так, что образуются три разрядных модуля 1, 2, 3.