U=С I α

де U - напруга на опорі нелінійного резистора вентильного розрядника, I - струм, що проходить через нелінійний резистор, З - постійна, чисельно дорівнює опору при струмі 1 А, - коефіцієнт вентильності.

Чим менший коефіцієнт α, тим менше змінюється напруга на нелінійному резисторі при зміні струму, що проходить через нього, і тим менше напруга, що залишається, на вентильному розряднику.

Величини напруг, що залишаються, що наводяться в паспорті вентильного розрядника, даються для нормованих імпульсних струмів. Величини цих струмів лежать у межах 3000-10000 А.

Кожен імпульс струму залишає в послідовному резистори слід руйнування - відбувається пробій запірного шару окремих зерен карборунду. Багаторазове проходження імпульсів струму призводить до повного пробою резистора та руйнування розрядника. Повний пробій резистора настає тим швидше, що більше амплітуда і довжина імпульсу струму. Тому пропускна спроможність вентильного розрядника обмежена. При оцінці пропускної спроможності вентильних розрядників враховується пропускна спроможність та послідовних резисторів та іскрових проміжків.

Резистори повинні витримувати без пошкодження 20 імпульсів струму тривалістю 20/40 мкс з амплітудою, яка залежить від типу розрядника. Наприклад, для розрядників типів РВП та РВО напругою 3 - 35 кВ амплітуда струму дорівнює 5000 А, типу РВС напругою 16 - 220 кВ - 10 000 А та типів РВМ та РВМГ напругою 3 - 500 кВ - 10000 А.

Для підвищення захисних властивостей вентильного розрядника потрібно знижувати напругу, що залишається, чого можна досягти зменшенням коефіцієнта вентильності α послідовного нелінійного резистора при одночасному підвищенні дугогасних властивостей іскрових проміжків.

Підвищення дугогасних властивостей іскрових проміжків дає можливість збільшити струм, що супроводжує, обривається ними, а отже, дозволяє зменшити опір послідовного резистора. Технічне вдосконалення вентильних розрядників нині йде саме цими шляхами.

Варто зазначити, що у схемі вентильного розрядника важливе значення має пристрій, що заземлює.За відсутності заземлення розрядник працювати не може.

Заземлення вентильного розрядника і обладнань, що захищається ним, об'єднуються. У тих випадках, коли вентильний розрядник з яких-небудь причин має окреме від обладнання, що захищається, величина його нормується в залежності від рівня ізоляції обладнання.

Монтаж розрядників

Після ретельного огляду розрядники встановлюють на опорні конструкції, вивіряють за рівнем і схилом з підкладкою в необхідних випадках під цоколь відрізків з листової сталі і закріплюють на опорах за допомогою хомута болтами.

Розрядники є захисними апаратами. Вони призначені для захисту ізоляції електроустаткування від перенапруг. У розподільних пристроях електроустановок використовуються вентильні розрядники, на лініях електропередачі - трубчасті.
Вентильні розрядники складаються з іскрових проміжків, послідовно включених з робочим резистором, що має нелінійну вольт-амперну характеристику. У деяких розрядниках паралельно іскровим проміжкам приєднують резери, що шунтують, для рівномірного розподілу напруги між ними.
В умовних позначеннях розрядників букви означають: Р – розрядник; В – вентильний, П – підстанційний (поляризований для розрядників постійного струму); С – станційний; М – з магнітним дуванням; Про - полегшеної конструкції; У – уніполярний; К – для обмеження комутаційних перенапруг. Цифри, що йдуть за літерами в позначенні, означають напруги розрядника.
Розрядники характеризуються низкою параметрів.
Клас напруги розрядника - номінальне значення напруги мережі, до роботи у якій розрядник призначений.
Найбільша допустима напруга розрядника - ефективне значення найбільшого гарантованого заводом-виробником напруги, у якому розрядник надійно гасить дугу.
Пробивна напруга розрядника - найбільша величина плавно наростаючої напруги в момент пробою розрядника.
Імпульсна пробивна напруга розрядника – найбільша величина імпульсної напруги в момент пробою розрядника при заданому значенні передрозрядного часу. Передрозрядний час – час від початку наростання імпульсної напруги до моменту пробою розрядника.
Номінальний розрядний струм розрядника – амплітудне значення імпульсного струму, що проходить через розрядник після його пробою.
Струм провідності розрядника, іскрові проміжки якого шунтовані резисторами, - Струм, що проходить через розрядник при додатку до нього напруги постійного струму заданої величини. У розрядників, які не мають шунтуючих резисторів, вимірюваний при цьому струм називається струмом витоку.
Вентильні розрядники змінного струму є основним засобом обмеження перенапруг і захисту від них.
Розрядник РВП-6 показано на рис. 1. Він складається з багаторазових іскрових проміжків 12 і послідовно включених нелінійних вілітових резисторів б, розміщених у порцеляновому корпусі 7 і стиснутих спіральною пружиною 3. Блок багатократних іскрових проміжків включає кілька послідовно з'єднаних одиничних іскрових проміжків, поміщених в бума. проміжок складається з двох фігурних латунних електродів, приклеєних до ізоляційної меканітової або електрокартонної прокладки. Нелінійний послідовний резистор набирається з вілітових (віліт-запечена суміш карборунду з рідким склом), що володіють вентильними властивостями, тобто опір карборунду змінюється в залежності від прикладеної до нього напруги: чим вище прикладена напруга, тим нижче її опір, і навпаки. Кількість іскрових проміжків у блоці та вілітових дисків у колонці залежить від величини номінальної напруги розрядника. Площини, якими стикаються диски, для кращого контакту металізують алюмінієм, а бічні поверхні вілітових дисків для запобігання шляху струму витоку покривають ізолюючою обмазкою. Для запобігання зміщенню вілітових дисків ставляться фетрові або повстяні прокладки. Тому розрядник герметизується ущільненням 2 з озоностійкої гуми і закривається зверху металевим ковпаком 13. До несучої конструкції розрядник приєднується хомутом 11, до струмоведучих дротів - болтом 1, а до заземлення - шпилькою 9. Таким чином, розрядник ізоляції.

Мал. 1. Розрядник типу РВП-6
У нормальному режимі роботи іскрові проміжки забезпечують ізоляцію між фазою та землею. Як тільки виникає перенапруга, небезпечна для ізоляції електроустановки, відбувається пробій іскрових проміжків, внаслідок чого мережа виявляється з'єднана із землею через вілітові диски. У цей момент до вілітових дисків прикладається максимальна напруга, тому опір їх буде найменшим, а замикання на землю - найбільшим. В результаті розряду на землю напруга в мережі знижується, а опір вілітових дисків зростає. Дуга змінного струму при проходженні через нуль гасне, а потім знову відновлюється. Коли напруга, прикладена до розрядника, виявляється недостатнім підтримки дуги на іскрових проміжках, при першому ж проходженні струму через нуль його протікання через розрядник припиняється.
Модернізований розрядник РВП із зменшеним діаметром іскрових проміжків та вілітових дисків зі зниженими габаритами та масою випускається під найменуванням РВО (розрядник вентильний полегшеної конструкції).

2. Розрядник типу РВС
Вентильний розрядник РВС (розрядник вентильний станційний) випускається у вигляді п'яти стандартних елементів: РВС-15, РВС-20, РВС-30, РВС-33 та РВС-35. З цих елементів комплектують розрядники на напругу до 220 кВ. Їх встановлюють один на інший та з'єднують послідовно. На рис. 2 показаний елемент РВС, що складається з порцелянового кожуха 1, всередині якого знаходяться вілітові диски 2 і комплекти іскрових проміжків 4, що складаються з декількох одиничних іскрових проміжків 3. Кожен комплект укладений у фарфоровий циліндр 5. Всі іскрові проміжки та вілітові диски стиснуті спіральними прути. Фарфоровий кожух закритий з торцевих сторін кришками, під якими прокладена гума ущільнювальна 7. Фарфоровий кожух армований фланцями 8, які служать для кріплення розрядника до опорної конструкції, а також для приєднання до шин або проводів. Комплекти іскрових проміжків шунтуються резисторами підковоподібними 9, призначеними для рівномірного розподілу напруги між ними.
На рис. 3 показаний комплект іскрових проміжків, що складається із чотирьох одиничних іскрових проміжків. Кожен одиничний іскровий проміжок включає два фігурних латунних електрода 4, розділених міканітовою прокладкою. Іскрові проміжки розміщуються у фарфоровому циліндрі 3, закритому зверху і знизу латунними кришками 1. До останніх приєднуються підковоподібні резери шунтуючі 2, виготовлені на основі карбоциду.

Мал. 3. Комплект іскрових проміжків розрядника

Мал. 4. Блок іскрових проміжків розрядника типу РВМ
На напругу 35-500 кВ знайшли застосування розрядники магнітовентильного типу РВМ. Вони від інших типів розрядників наявністю блоків магнітних іскрових проміжків (рис. 4). Такі стандартні блоки іскрових проміжків, доповнені дисковими резисторами вилітів виготовляються на напругу 35 кВ. Блок магнітних іскрових проміжків складається з набору одиничних іскрових проміжків 2, розділених між собою кільцевими магнітами 3. Одиничний іскровий проміжок складається з двох концентрично розташованих мідних електродів 6 і 8, між якими утворюється кільцева щілина 7. Що виникає в щілини дуга обертається під великою швидкістю, що сприяє її швидкому гасенню Набір з постійних магнітів і одиничних іскрових проміжків поміщається всередині порцелянової покришки 1, закритої сталевими кришками 5. Магніти та мідні електроди щільно стискаються сталевою пружиною 4.

Розрядники– використовуються для обмеження перенапруг, що виникають з метою полегшення ізоляції обладнання. Перенапруги, що виникають, ділять на дві групи: внутрішні (коммутаційні) і атмосферні.

Перші виникають при комутації електричних ланцюгів (котушок індуктивностей, конденсаторів, довгих ліній) дугових замикань на землю та інших процесах. Другі виникають при дії атмосферної електрики. Залежність максимальної напруги імпульсу від часу розряду називається вольт-секундною характеристикою. Основним елементом розрядника є іскровий проміжок. Вольт-секундна ха-

рактеристика цього проміжку (крива 1 на рис.) повинна лежати нижче вольт-секундної характеристики устаткування, що захищається (крива 2). При появі перенапруги проміжок повинен пробитися раніше, ніж ізоляція устаткування, що захищається.Після пробою лінія заземляється через опір розрядника. При цьому напруга на лінії визначається струмом I, що проходить через розрядник, опорами розрядника та заземлення. Чим менші ці опори, тим ефективніше обмежуються перенапруги, тобто більша різниця між можливим (крива 4) та обмеженим розрядником перенапругою (крива 3). Напруга на розряднику при протіканні імпульсу струму даного значення і форми називається напругою, що залишається. Чим менше ця напруга, тим краще якість розрядника.

Трубчастий розрядник – це іскровий проміжок доповнений пристроєм примусового гасіння дуги, як трубки з газогенерирующего матеріалу (фібри, вініпласту), тобто. відключення дуги супроводжуючого струму к.з виробляється через інтенсивне газовиділення трубкою при підвищеній t горіння.

1-трубка, 2-електрод стрижневий, 3- електрод у вигляді кільця, 4-заземлений електрод, де є буферний об'єм5, де накопичується потенційна енергія стиснутого газу. При проході струму через нуль створюється газове дуття буферного об'єму, що сприяє ефективному гасіння дуги. S1, S2 - іскрові проміжки. Специфічним недоліком ТР є наявність зони вихлопу, небезпечної для обладнання та обслуговуючого персоналу. У ТР проміжок утворений стрижневими електродами, що мають круту вольт-секундну характеристику через велику неоднорідність електричного поля. У зв'язку з цим ТР застосований: для захисту підходів до п/ст; защ маломощ обладнання п/ст 3-10 кВ; защ контакт мережі змін струму.

Вентильні розрядники. Основними елементами є вілітові кільця, іскрові проміжки і робочі резистори. Ці елементи розташовані всередині порцелянового кожуха , який з торців має спеціальні фланці для кріплення та приєднання розрядника. Кожух розрядника герметизується по торцях за допомогою пластин та ущільнювальних гумових прокладок. З появою переU пробиваються послідовно включені блоки іскрових проміжків. Імпульс струму при цьому через робочі резистори замикається на землю. Виниклий супроводжуючий струм обмежується робочими резисторами, які створюють умови гасіння дуги супроводжуючого струму. R цих резисторів велике при Uраб і різко знижується при U. Як матеріал нелінійних резисторів використовується віліт з коефіцієнт нелінійності 0,1-0,2. Робочі резистори виготовляються у вигляді дисків. Поодинокі іскрові проміжки з'єднань послідовні для поліпшення умов гасіння дуги. Форма електродів забезпечує рівномірне електричне поле, що дозволяє отримати пологу вольт-секундну характеристику. Виникнення заряду в закритому обсязі розрядника при малій тривалості імпульсу струму утруднено. Для полегшення іонізації іскрового проміжку між електродами міститься міканітове прокладання.

ГНН – в них використовуються резистори з великою нелінійністю (0.04) на основі оксиду цинку (на 110-500 кВ). Ці резистори дозволяють обмежувати комутацію переU на рівні на рівні (1,65-1,8)Uф, а грозові на рівні (2,2-2,4)Uф. Конструкція ОПН виконується послідовним або паралель набором дисків опорів, причому при Uраб через одну парал колонку резисторів протікає струм в n * 0.01 mA, тобто. відпадає потреба у іскровому проміжку. Супровідний струм, що протікає після спрацьовування апарату, невеликий (міліампери), так само як і невелика потужність, що виділяється в резисторах. Це дозволяє відмовитися від послідовного включення декількох іскрових проміжків і дає можливість приєднувати ГНН безпосередньо до обладнання, що захищається, що значно підвищує надійність роботи.

28.09.2015

Пристрій, зовнішній вигляд

Незалежно від типу розрядники обов'язково мають іскрові проміжки, а також резистори: робітники та шунтуючі. Далі конструкція міститься у фарфоровий корпус і закривається у всіх фланцях із застосуванням армувальних розчинів. Саме такими ми їх бачимо на підстанціях та розподільчих пристроях.

Застосовується фарба, стійка до вологи, та емаль, що кладуться поверх армування. Розрядники відрізняються класовою напругою, яка визначає число міканітових шайб (з них виробляються іскрові проміжки), а також їх співвідношенням з опором резистора робочого.

У процесі роботи розподільчого пристрою, коли напруга збільшується до пробивного, опір робочого резистора, навпаки, падає, що говорить про його нелінійність.

Вілітові (рідше – тервітові) диски застосовуються як основа для робочого резистора. Вони відрізняються такою властивістю як гігроскопічність, що пояснює необхідність герметичності корпусу розрядника та сполучних стиків.

Основні типи розрядників

• Розрядники РВН, РВО, РВЕ, РВП та РВС застосовуються виключно для запобігання розподільним пристроям та іншого високовольтного обладнання від збоїв під час грози. В останніх тривалість імпульсу менша порівняно з комутаційними, що важливо для цих типів пристроїв, адже їх можливості обмежені можливістю погашення дуги іскровими проміжками. Усі висновки виходять зі складу таких розрядників: конструкція складається з включених один за одним іскрових проміжків та робочого опору.
• РВРД, РВМГ та РВМ: ці розрядники на будь-якому розподільчому пристрої здатні погасити дугу. Можливість досягається за рахунок магнітного поля, що діє від постійних магнітів: у іскровому проміжку дуга розтягується та пропадає. Пристрої цих видів здатні не тільки захистити розподільний пристрій або інше високовольтне обладнання від згубної дії грозових розрядів, а й захистити від комутаційних перенапруг невелику тривалість.
• Розрядники РВМК будуть найкращим захистом від комутаційних перенапруг, вони мають у своїй конструкції такі модулі:
• іскровий, що складається виключно з іскрових проміжків,
• вентильний, який представлений лише резисторами,
• основний, де розташовані робочі резистори, і іскрові проміжки.

Пристрій та принцип дії розрядників

1.Загальні відомості

Трубчасті розрядники

Вентильні розрядники

Розрядники постійного струму

Обмежувачі перенапруг

Довго-іскрові розрядники

1.Загальні відомості

При роботі електричних установок виникають напруги, які можуть значно перевищувати номінальні значення (перенапруги). Ці перенапруги можуть пробити електричну ізоляцію елементів обладнання та вивести установку з ладу. Щоб уникнути пробою електричної ізоляції, вона повинна витримувати ці перенапруги, проте габаритні розміри обладнання виходять надмірно більшими, оскільки перенапруги можуть бути в 6-8 разів більшими за номінальну напругу. З метою полегшення ізоляції перенапруги, що виникають, обмежують за допомогою розрядників і ізоляцію обладнання вибирають за цим обмеженим значенням перенапруг. Перенапруги, що виникають, ділять на дві групи: внутрішні (коммутаційні) і атмосферні. Перші виникають при комутації електричних ланцюгів (котушок індуктивностей, конденсаторів, довгих ліній), дугових замикання на землю та інших процесах. Вони характеризуються відносно низькою частотою напруги, що впливає (до 1000 Гц) і тривалістю впливу до 1 с. Другі виникають при дії атмосферної електрики, мають імпульсний характер напруг, що впливають, і малу тривалість (десятки мікросекунд). Електрична міцність ізоляції при імпульсах залежить від форми імпульсу, його амплітуди. Залежність максимальної напруги імпульсу від часу розряду називається вольт-секундною характеристикою. Для ізоляції з неоднорідним електричним полем характерна різко падаюча вольт-секундна характеристика. При рівномірному полі вольт-секундна характеристика полога і йде майже паралельно до осі часу.

Рис.1. Узгодження характеристик розрядника та обладнання, що захищається

перенапруга розрядник електрична установка

Основним елементом розрядника є іскровий проміжок. Вольт-секундна характеристика цього проміжку (крива 1 на рис.1) повинна лежати нижче вольт-секундної характеристики устаткування, що захищається (крива 2). При появі перенапруги проміжок повинен пробитися раніше, ніж ізоляція устаткування, що захищається. Після пробою лінія заземляється через опір розрядника. При цьому напруга лінії визначається струмом I, що проходить через розрядник, опорами розрядника і заземлення Rз. Що менше ці опори, то ефективніше обмежуються перенапруги, тобто. більша різниця між можливим (крива 4) та обмеженим розрядником перенапругою (крива 3). Під час пробою через розрядник відбувається імпульс струму.

Напруга на розряднику при протіканні імпульсу струму даного значення і форми називається напругою, що залишається. Чим менша ця напруга, тим краща якість розрядника. Після проходження імпульсу струму іскровий проміжок виявляється іонізованим і легко пробивається номінальною фазною напругою. Виникає КЗ на грішну землю, у якому через розрядник протікає струм промислової частоти, що називається супроводжуючим. Супровідний струм може змінюватись у широких межах. Щоб уникнути вимкнення обладнання від релейного захисту, цей струм повинен бути відключений розрядником у можливий короткий час (близько напівперіоду промислової частоти).

До розрядників пред'являються такі вимоги.

Вольт-секундна характеристика розрядника повинна йти нижче характеристики об'єкта, що захищається, і повинна бути пологою.

Іскровий проміжок розрядника повинен мати певну гарантовану електричну міцність при промисловій частоті (50 Гц) та при імпульсах.

Напруга, що залишається, на розряднику, що характеризує її обмежувальну здатність, не повинна досягати небезпечних для ізоляції обладнання значень.

Супровідний струм частотою 50 Гц повинен відключатися за мінімальний час.

Розрядник повинен допускати велику кількість спрацьовувань без огляду та ремонту.

Рис.2. Позначення розрядників

На електричних важливих схемах у Росії розрядники позначаються згідно з ГОСТ 2.727-68.

Загальне позначення розрядника

Розрядник трубчастий

Розрядник вентильний та магнітовентильний

Промисловість випускає вентильні розрядники серій РН, РВН, РНК, РВО, РВС, РВТ, РВМГ, РВРД, РВМ, РВМА, РМВУ та трубчасті.

Розрядник РН - низької напруги призначений для захисту від атмосферних перенапруг ізоляції електрообладнання напругою 0,5 кВ.

Розрядник РВН – вентильний, для захисту від атмосферних перенапруг ізоляції електроустаткування.

Розрядник РНК призначений захисту пристроїв контролю ізоляції вводів високої напруги трансформаторів.

Розрядник РВРД - вентильний, з дугою, що розтягується, призначений для захисту ізоляції електричних машин від атмосферних і короткочасних внутрішніх перенапруг.

Розрядник РМВУ – вентильний, магнітний, уніполярний, призначений для захисту від перенапруг ізоляції тягового електрообладнання в установках постійного струму.

Розрядник РА - серії А, призначений для захисту від перенапруг обмоток збудження великих синхронних машин (турбогенераторів, гідрогенераторів та компенсаторів) з номінальним струмом збудження до 3000 А.

Розрядник РВО – вентильний полегшеної конструкції; розрядник РВС – вентильний станційний; розрядник РВТ - вентильний, струмообмежуючий; розрядник PC – вентильний для захисту електроустановок сільськогосподарського призначення; розрядники серії РВМ, РВМГ, РВМА, РВМК - вентильні з магнітним гасінням дуги, модифікації Г та А, комбіновані, призначені для захисту від атмосферних та короткочасних внутрішніх перенапруг (у межах пропускної спроможності розрядників) ізоляції обладнання електричних станцій та підстанцій змінного струму -500 кВ.

Трубчасті розрядники РТВ та РТФ - вініпластові або фібробакелітові, призначені для захисту від атмосферних перенапруг ізоляції ліній електропередачі та з іншими засобами захисту для захисту ізоляції електроустаткування станцій та підстанцій напругою 3, 6, 10, 35, 110 кВ.

Трубчасті розрядники

Рис.3. Трубчастий розрядник

Трубчастий розрядник (рис.3) при нормальній роботі установки відокремлений від лінії повітряним проміжком S2. З появою перенапруги пробиваються проміжки S1 і S2, і імпульсний струм відводиться в землю. Після проходження імпульсного струму розрядником тече супроводжуючий струм промислової частоти. У вузькому каналі обойми (трубки) 1 з газогенеруючого матеріалу (вініпласту або фібри) у проміжку S1 між електродами 2 і 3 загоряється дуга. Усередині обойми піднімається тиск. 3. При проходженні струму через нуль відбувається гасіння дуги під дією охолодження проміжку S1 газами, що виходять з розрядника. У заземленому електроді 4 є буферний об'єм 5 де накопичується потенційна енергія стисненого газу. При проході струму через нуль створюється газове дуття буферного об'єму, що сприяє ефективному гасіння дуги.

Граничний струм промислової частоти, що відключається, визначається механічною міцністю обойми і становить 10 кА для фібробакелітової обойми і 20 кА для вініпластової, зміцненої склотканиною на епоксидній смолі. Супровідний струм частотою 50 Гц визначається місцем розташування розрядника і змінюється досить широкому діапазоні залежно від режиму роботи енергосистеми. Тому повинні бути відомі мінімальні та максимальні значення струму КЗ у місці встановлення розрядника.

Мінімальний струм розрядника визначається здатністю трубки, що гасить. Чим менший діаметр вихлопного каналу, чим більша його довжина, тим менше нижня межа струму, що відключається. Однак при великих струмах у трубці виникає високий тиск. При недостатній механічній міцності трубки може статися руйнація розрядника. В даний час випускаються вініпластові розрядники високої міцності з найбільшим струмом, що відключається, до 20 кА.

Робота трубчастого розрядника супроводжується сильним звуковим ефектом та викидом газів. Так, зона викиду газів розрядника PTB-I10 має вигляд конуса з діаметром 3,5 і висотою 2,2 м. При розміщенні розрядників необхідно, щоб до цієї зони не потрапляли елементи, що знаходяться під високим потенціалом.

Захисна характеристика розрядника значною мірою залежить від вольт-секундної характеристики іскрового проміжку. У трубчастому розряднику проміжок утворений стрижневими електродами, що мають круту вольт-секундну характеристику через велику неоднорідність електричного поля. У той же час електричне поле в апаратах, що захищаються, і обладнанні прагнуть зробити рівномірним з метою більш повного використання ізоляційних матеріалів і зменшення габаритів і маси. При рівномірному полі вольт-секундна характеристика виходить пологою, мало залежною від часу. У зв'язку з цим трубчасті розрядники, що мають круту вольт-секундну характеристику, непридатні для захисту підстанційного обладнання. Зазвичай з допомогою захищається лише лінійна ізоляція (ізоляція, створювана підвісними ізоляторами). При виборі трубчастого розрядника необхідно розрахувати можливий мінімальний та максимальний струм КЗ у місці встановлення та по цих струмах вибрати відповідний розрядник. Номінальна напруга розрядника повинна відповідати номінальній напругі мережі. Розміри внутрішнього S1 та зовнішнього S2 проміжків вибираються за спеціальними таблицями.

Вентильні розрядники

Мал. 4. Вентильний розрядник (а) та його іскрові проміжки у збільшеному масштабі (б)

Розрядник типу PBC-1O (розрядник вілітовий станційний на 10 кВ) показано на рис.4,а. Основними елементами є вілітові кільця 1, іскрові проміжки 2 і робочі резистори 3. Ці елементи розташовані всередині порцелянового кожуха 4, який має торців спеціальні фланці 5 для кріплення і приєднання розрядника. Робочі резистори 3 змінюють свої характеристики за наявності вологи. Крім того, волога, осідаючи на стінках та деталях усередині розрядника, погіршує його ізоляцію та створює можливість перекриття. Для виключення проникнення вологи кожух розрядника герметизується по торцях за допомогою пластин 6 і гумових ущільнювальних прокладок 7.

Робота розрядника відбувається у такому порядку. При появі перенапруги пробиваються три послідовно включені блоки іскрових проміжків 2 (рис.4,б). Імпульс струму при цьому через робочі резистори замикається на землю. Виниклий супроводжуючий струм обмежується робочими резисторами, які створюють умови гасіння дуги супроводжуючого струму.

Після пробою іскрових проміжків напруга на розряднику

Якщо опір розрядника Rр визначається робочими резисторами, лінійне, то напруга на розряднику зростає пропорційно струму і може стати вище допустимого для устаткування, що захищається. Для обмеження напруги Uр опір Rр виконується нелінійним і зі зростанням струму зменшується. Залежність між напругою і струмом у разі виражається як

де А -постійна, що характеризує напругу на опорі Rp при струмі 1 А; α-показник нелінійності. Випадок, коли α=0 є ідеальним, так як напруга Up не залежить від струму.

Описані розрядники отримали назву вентильних, тому що при імпульсних струмах їхній опір різко падає, що дає можливість пропустити великий струм при відносно невеликому падінні напруги.

Рис.5. Вольт-амперна характеристика вілітового резистора

Як матеріал нелінійних резисторів широко застосовується віліт. В області великих струмів показник нелінійності α=0,13-0,2. Типова вольт-амперна характеристика вілітового резистора наведена на рис.5, а. При невеликих струмах опір Rp великий і напруга лінійно зростає зі зростанням струму (область А). При великих струмах опір різко зменшується і напруга Uр майже не зростає (область).

Основу віліта складають зерна карборунду SiC з питомим опором близько 10-2 Ом·м. На поверхні зерен карборундових створюється плівка оксиду кремнію SiO2 товщиною 10-7 м, опір якої залежить від прикладеної до неї напруги. При невеликих напругах питомий опір плівки становить 104-106 Ом·м. При збільшенні прикладеної напруги опір плівки різко зменшується, опір визначається в основному зернами карборунду і падіння напруги обмежується.

Робочі резистори виготовляються як дисків діаметром 0,1-0,15 м і висотою (20-60)·10-3 м. За допомогою рідкого скла зерна карборунда міцно зв'язуються між собою.

Віліт дуже гігроскопічний. Для захисту від вологи циліндрична поверхня дисків покривається ізолюючою обмазкою. Торцеві поверхні є контактними та металізуються.

Зазвичай кілька робочих резисторів як дисків з'єднуються послідовно (на рис.3,а зображено 10 дисків). За наявності n дисків напруга, що залишається

Для зменшення напруги, що залишається, число дисків n повинно бути якомога менше.

При проходженні струму температура дисків підвищується. При протіканні імпульсу струму великої амплітуди, але малу тривалість (десятки мікросекунд) резистори не встигають нагріватися до високої температури. При тривалому перебігу навіть невеликих струмів промислової частоти (один напівперіод дорівнює 10 мс) температура може перевищити допустиме значення, диски втрачають свої вентильні властивості, і розрядник виходить з ладу.

Гранично допустима амплітуда імпульсу струму диска діаметром 100 мм дорівнює 10 кА при тривалості імпульсу 40 мкс. Допустима амплітуда прямокутного імпульсу з тривалістю 2000 мкс не перевищує 150 А. Такі струми диск без ушкодження пропускає 20-30 разів.

Після проходження імпульсного струму через розрядник починає протікати супроводжуючий струм, що є струмом промислової частоти. У міру наближення струму до нульового значення опір віліта різко збільшується, що веде до спотворення синусоїдальної форми струму. Збільшення опору ланцюга веде до зменшення струму та кута зсуву фаз між струмом і напругою (φ->0). На рис.5, б показані криві струмів у робочому резисторі. Тут 1-напруга джерела 50 Гц; 2 -крива струму ланцюга, що визначається індуктивним опором Х; 3 -крива струму, що визначається робочим резистором (Rр>>X). Через нелінійність резистора Rp зменшується напруга, що повертається (напруга промислової частоти). Зменшення швидкості підходу струму до нуля зменшує потужність дуги області нульового значення струму. Все це полегшує процес гасіння дуги, що горить між електродами розрядного проміжку. Завдяки застосуванню латунних електродів в іскрових проміжках після проходу струму через нуль, у кожного катода утворюється проміжок, електрична міцність якого 1,5 кВ. Це забезпечує гасіння супроводжуючого струму при першому проходженні струму через нуль і дозволяє погасити дугу в іскрових проміжках без застосування спеціальних дугогасних пристроїв.

Влаштування іскрового проміжку вентильного розрядника ясно з рис.4,б. Форма електродів забезпечує рівномірне електричне поле, що дозволяє отримати пологу вольт-секундну характеристику. Відстань між електродами приймається (0,5-1) 10-3 м.

Виникнення заряду в закритому обсязі розрядника при малій тривалості імпульсу струму утруднено. Для полегшення іонізації іскрового проміжку між електродами міститься міканітове прокладання. Так як діелектрична проникність повітря значно менше, ніж у слюди, що входить до складу міканіту, то в приелектродному обсязі повітря виникають високі градієнти електричного поля, що викликають його початкову іонізацію. Електрони, що утворюються, призводять до швидкого формування розряду в центрі іскрового проміжку.

Експериментально встановлено, що одиночний іскровий проміжок здатний відключити струм, що супроводжує, з амплітудою 80-100 А при діючому значенні напруги 1-1,5 кВ. Число одиничних проміжків вибирається виходячи з цієї напруги. Кількість дисків робочого резистора має бути таким, щоб максимальне значення струму не перевищило 80-100 А. При цьому гасіння дуги забезпечується за один півпів од.

Для забезпечення рівномірного навантаження за промислової частоти проміжки шунтуються нелінійними резисторами 1 (рис.4). Термічна стійкість дисків розрахована на пропускання супровідного струму протягом одного-двох напівперіодів.

Внутрішні перенапруги мають низькочастотний характері і можуть тривати до 1 с. Внаслідок малої термічної стійкості віліт не може бути використаний для обмеження внутрішніх перенапруг. Для обмеження внутрішніх перенапруг використовується аналогічний віліту матеріал тервіт, що має велику термічну стійкість і підвищений показник нелінійності α=0,15- 0,29.

Рис.6. Комбінований розрядник із тервітовими резисторами

Тервітові диски використовують у комбінованих розрядниках (рис.6,а), призначених захисту як від внутрішніх (комутаційних), і від зовнішніх (атмосферних) перенапряжений. При внутрішніх перенапругах працюють обидва нелінійні резистори НР1 і НР2 (крива 1 іа рис.6,б). При атмосферних перенапругах через великий струм напруга на НР2 пробиває проміжок ІП2 і напруга на лінії, що захищається, знижується (крива 2).

Вентильні розрядники працюють безшумно. Число спрацьовувань фіксується спеціальним реєстратором, який включається між нижнім виведенням розрядника та заземленням. Найбільш надійні електромагнітні реєстратори, якір яких при проходженні імпульсного струму впливає на храповий механізм лічильного пристрою.

За допомогою іскрових проміжків показаних на рис. 4,б неможливе відключення струмів 200-250 А. У цьому випадку для гасіння дуги застосовуються камери магнітного дуття з постійним магнітом. Дуга, що виникає в іскровому проміжку, під впливом магнітного поля заганяється у вузьку щілину з керамічними верстатами. У цьому принципі створено розрядники на напругу до 500 кВ. Збільшення діаметра дисків до 150 мм дозволяє підняти їхню термічну стійкість. В результаті комбіновані магнітно-вентильні розрядники дозволяють обмежувати як внутрішні, і атмосферні перенапруги.

Основні характеристики вентильного розрядника:

Напруга гасіння Uгаш - найбільша прикладена до розрядника напруга промислової частоти, при якому надійно обривається супровідний струм. Ця напруга визначається властивостями розрядника. Напруга промислової частоти, що прикладається до розрядника, залежить від параметрів схеми. Якщо при КЗ на землю однієї фази на вільних фазах з'являється перенапруга, то напруга гасіння, що прикладається до розрядника, визначається рівнянням

де Кз - коефіцієнт, що залежить від способу заземлення нейтралі; Uном - номінальна лінійна напруга мережі. Для установок із заземленою нейтраллю Кз=0,8, для ізольованої нейтралі Кз=l,l.

Струм гасіння Iгаш, під яким розуміється супровідний струм, що відповідає напрузі гасіння Uгаш.

Дугогасна дія іскрового проміжку характеризується коефіцієнтом

де Uпр – напруга пробою частотою 50 Гц іскрового проміжку.

Захисна дія нелінійного резистора характеризується коефіцієнтом захисту

де Uост – напруга на розряднику при імпульсному струмі 5-14 кА. Ця напруга повинна бути на 20-25 % нижче розрядної напруги ізоляції, що захищається.

4.Розрядники постійного струму

Рис.7. Розрядник постійного струму

Для захисту установок від перенапруг постійного струму можуть бути застосовані вентильні розрядники. Однак гасіння дуги постійного струму значно складніше, ніж змінного. Для використання навколоелектродного падіння напруги потрібно дуже велике число іскрових проміжків, так як на кожній парі електродів напруга не повинна перевищувати 20-30 В.

Для гасіння дуги доцільно використовувати магнітне дуття за допомогою постійних магнітів. Електродинамічна сила, що виникає при цьому, з великою швидкістю переміщає дугу у вузькій щілини з дугостійкого ізоляційного матеріалу. Внаслідок інтенсивного охолодження дуги її опір збільшується і струм припиняється.

Вентильний розрядник для мережі з напругою 3 кВ постійного струму показано на рис.7. Робочий резистор 1 складається з двох вілітових дисків, з'єднаних з двома іскровими проміжками 2 з магнітним гасінням дуги. Надійне контактування проміжків і дисків досягається за допомогою пружини 3, що одночасно є струмопідвідним елементом. Основні елементи розрядника розташовуються у порцеляновому кожусі 6, який закритий кришкою знизу 7. Герметизація розрядника здійснюється кришкою 4 з гумовим ущільненням 5.

Обмежувачі перенапруг

На основі оксиду цинку, що має різко виражену нелінійність вольт-амперної характеристики, розроблено серію нелінійних обмежувачів перенапруг (ГНН) на номінальну напругу 110-500 кВ.

ГНН є нелінійним резистором з високим коефіцієнтом нелінійності. α=0,04 (Проти 0,1 -0,2 для віліта). Він включається паралельно об'єкту, що захищається (між потенційним висновком і землею) без розрядних проміжків. Завдяки високій нелінійності при номінальній фазній напрузі через ГНН протікає нікчемний струм 1 мА. При збільшенні напруги опір ГНН різко зменшується, струм, що протікає через нього, зростає. При напрузі 2,2Uф через ГНН протікає струм 10 4А. Після проходження імпульсу напруги струм у ланцюзі ГНН визначається фазною напругою мережі.

Рис.8. Вольт-амперна характеристика обмежувача ОПН-500

ОПН обмежують комутаційні перенапруги рівня 1,8Uф і атмосферні перенапруги до (2-2,4)Uф. З вольт-амперної характеристики ОПН-500 (рис.8) видно, що при зниженні перенапруг з 2Uф до Uф струм, що протікає через резистори, зменшується в 10 6разів. Супровідний струм, що протікає після спрацьовування апарату, невеликий (міліампери), так само як і невелика потужність, що виділяється в резисторах. Це дозволяє відмовитися від послідовного включення декількох іскрових проміжків і дає можливість приєднувати ГНН безпосередньо до обладнання, що захищається, що значно підвищує надійність роботи.

Висока нелінійність резисторів ГНН (для області великих струмів α ≈0,04) дозволяє значно знизити перенапруги та зменшити габарити обладнання, особливо при напрузі 750 і 1150 кВ. Габаритні розміри та маса ГНН набагато менше, ніж у звичайних вентильних розрядників того ж класу напруги.

Довго-іскрові розрядники

Автори ідеї РДІ Підпоркін Георгій Вікторович, доктор технічних наук, професор Політехнічного Університету Санкт - Петербурга, Senior Member IEEE, і Сиваєв Олександр Дмитрович, кандидат технічних наук, почали перші експерименти з розробки довго - іскрових розрядників ще в 1989 році, а в 19 авторське свідоцтво.

Рис.9. Схема довго-іскрового розрядника

Принцип роботи розрядника заснований на використанні ефекту ковзного розряду, який забезпечує велику довжину імпульсного перекриття по поверхні розрядника, і запобігання за рахунок переходу імпульсного перекриття в силову дугу струму промислової частоти. Розрядний елемент РДІ, вздовж якого розвивається ковзний розряд, має довжину, що в кілька разів перевищує довжину ізолятора лінії, що захищається. Конструкція розрядника забезпечує його більш низьку імпульсну електричну міцність порівняно з ізоляцією, що захищається. Головною особливістю довго-іскрового розрядника є те, що внаслідок великої довжини імпульсного грозового перекриття можливість встановлення дуги короткого замикання зводиться до нуля.

Існують різні модифікації РДІ, що відрізняються призначенням та особливостями ПЛ, на яких вони застосовуються.

Основна перевага РДІ: розряд розвивається вздовж апарату повітрям, а не всередині його. Це дозволяє значно збільшити термін експлуатації виробів та підвищує їх надійність.

Розрядник довго-іскрової петльового типу (РДІП)

РДІП-10 призначений для захисту повітряних ліній електропередачі напругою 6-10 кВ трифазного змінного струму із захищеними та неізольованими проводами від індуктованих грозових перенапруг та їх наслідків та розрахований для роботи на відкритому повітрі при температурі навколишнього повітря від мінус 60 °C протягом 30 років.

Розрядник довго-іскровий модульний (РДІМ)

РДІМ призначений для захисту від прямих ударів блискавки та індуктованих грозових перенапруг повітряних ліній електропередачі (ПЛ) та підходів до підстанцій напругою 6, 10 кВ трифазного змінного струму з неізольованими та захищеними проводами.

РДІМ має найкращі вольт-секундні характеристики, саме тому його доцільно застосовувати для захисту ділянок лінії, що піддаються прямим ударам блискавки, а також для захисту підходів до підстанцій ПЛ.

РДІМ складається з двох відрізків кабелю з корделем, виконаним з резистивного матеріалу. Відрізки кабелю складені між собою так, що утворюються три розрядні модулі 1, 2, 3.