К разрядникам предъявляются следующие требования.

Лекция: Разрядники

1.Общие сведения
2.Трубчатые разрядники
3.Вентильные разрядники
4.Разрядники постоянного тока
5.Ограничители перенапряжений
6.Длинно-искровые разрядники

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

 

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.

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

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

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

4.Сопровождающий ток частотой 50 Гц должен отклю­чаться за минимальное время.

5.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.

1. Общее обозначение разрядника

2. Разрядник трубчатый

3. Разрядник вентильный и магнитовентильный

4. ОПН

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 (рис.3) выби­раются по специальным таблицам.

 

При ремонте проверяют состояние фибробакелитовой трубки, прочность крепления на ней стальных наконечников, правильность расположения внутри трубки электродов, исправность указателя срабатывания. Поврежденный лаковый покров трубки восстанавливают. Ослабленные наконечники обжимают на трубке. При необходимости регулируют внутренний искровой промежуток между электродами.

Проверяют исправность указателя срабатывания. Поврежденную латунную фольгу заменяют новой полоской толщиной 0,02 мм. Внутренний диаметр дугогасительного канала и длина внутреннего искрового промежутка разрядника не должны отличаться от паспортных данных более чем на 0,5 и 1 мм соответственно. После ремонта наконечники окрашивают черной эмалевой краской.

 

 

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.

Искровые промежутки последовательно соединяются, образуя блок (см. рис.4,б). Обычно разрядник имеет несколько таких блоков. Результирующая вольт-секундная характеристика последовательно со­единенных промежутков достаточно пологая.

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:

1.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.

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

3.Дугогасящее действие искрового промежутка харак­теризуется коэффициентом

 

где Uпр - напряжение пробоя частотой 50 Гц искрового промежутка.

 

4. 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.