Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Вентильные разрядники высокого напряжения

Введение - Вентильные разрядники высокого напряжения

Оглавление
Вентильные разрядники высокого напряжения
Введение
Назначение искровых промежутков
Принцип действия и конструкции искровых промежутков
Искровые промежутки с самовыдувающейся дугой
Искровые промежутки с вращающейся дугой
Искровые промежутки с растягивающейся дугой
Искровые промежутки с делением дуги на части
Пробивные напряжения искровых промежутков
Дугогасящая способность искровых промежутков
Методика исследования дугогасящей способности искровых промежутков разрядников
Дугогасящая способность искровых промежутков с неподвижной дугой
Дугогасящая способность искровых промежутков с вращающейся дугой
Методика расчета восстанавливающейся прочности искровых промежутков с вращающейся дугой
Дугогасящая способность искровых промежутков с растягивающейся дугой
Дугогасящая способность многократного искрового промежутка
Методы повышения восстанавливающейся прочности многократного искрового промежутка
Нелинейные сопротивления вентильных разрядников
Материал и конструкции нелинейных сопротивлений
Закономерности, характеризующие свойства нелинейных сопротивлений
Механизмы явлений, происходящих в нелинейных сопротивлениях
Стабилизация нелинейных сопротивлений
Старение и пропускная способность нелинейных сопротивлений
Технические характеристики нелинейных сопротивлений
Характеристики современных вентильных разрядников
Пробивное напряжение разрядников
Импульсное пробивное напряжение разрядников
Остающееся напряжение разрядников
Пропускная способность разрядников
Дугогасящая способность разрядников
Прочие характеристики разрядников
Стабильность характеристик разрядников в процессе эксплуатации
Координация характеристик изоляции с характеристиками вентильных разрядников
Испытания вентильных разрядников в процессе производства
Классификация вентильных разрядников
Вентильные разрядники с искровыми промежутками с неподвижной дугой
Магнитно-вентильные разрядники грозового типа
Разрядники с токоограничивающими искровыми промежутками
Магнитно-вентильные комбинированные разрядники
Зарубежные конструкции вентильных разрядников
Разрядники HKF
Разрядники Алюгард
Расчет последовательного сопротивления и искровых промежутков
Расчет последовательного сопротивления и искровых промежутков комбинированных разрядников
Выбор и расчет шунтирующих сопротивлений разрядников
Регулирование вольт-секундной характеристики разрядников
Механический расчет разрядников
Расчет и конструирование покрышек разрядников
Вентильные разрядники для глубокого ограничения перенапряжений
Выбор вентильных разрядников
Монтаж вентильных разрядников и эксплуатационный надзор
Регистрация работы вентильных разрядников
Токи в вентильных разрядниках
Отказы вентильных разрядников и их повреждения
Особенности применения вентильных разрядников в районах повышенного загрязнения
Литература

В нормальных рабочих режимах изоляция токоведущих частей электрических установок переменного тока находится под действием фазного или линейного напряжения.
Однако по различным причинам в той или иной части электрической системы напряжение может повыситься и значительно превысить напряжение нормального режима — появляется перенапряжение. Если амплитуда перенапряжения значительная, оно может представлять опасность для изоляции электрической установки.
Различают перенапряжения грозовые и внутренние.
Грозовые или атмосферные перенапряжения возникают при разрядах молнии (или, как говорят, при грозовых разрядах) в элементы электрических установок (главным образом в воздушные линии передачи) или вблизи них. Они возникают при разрядах грозовых облаков, в которых накопились значительные электрические заряды. Для большинства районов нашей страны грозовые разряды — явление довольно частое: ежегодно в районах со средней грозовой деятельностью происходит от 10 до 30 разрядов на 100 км линий электропередачи.
Если разряд молнии происходит в элемент электрической установки, то на проводах появляются дополнительные электрические заряды, которые, растекаясь, создают волны грозовых перенапряжений значительной величины. Это так называемый прямой удар молнии.
При прямом ударе в объекты с низким сопротивлением заземления амплитуды тока молнии составляют десятки и сотни тысяч ампер (измерены токи молнии амплитудой свыше 200 ка) при продолжительности 10-4—10-5 сек. Крутизна нарастания токов молнии доходит до тысяч и десятков тысяч ампер в микросекунду (измерена крутизна свыше 50 ка в микросекунду). Нередки многократные разряды молнии, когда в одном разряде фиксируется несколько импульсов. При этом общая продолжительность разряда молнии достигает десятых долей секунды (зарегистрирован разряд молнии длительностью 1,8 сек). Суммарный электрический заряд, переносимый молнией, в большинстве случаев составляет единицы или десятки кулон.

При отсутствии специальных защитных мер перенапряжения при прямых ударах молвив могут достигать значительных величин, опасных для изоляции любого применяемого в настоящее время класса напряжения.
При этом для изоляции электрических установок представляет опасность как высокая амплитуда перенапряжения, так и большая скорость сто изменения. Последняя опасна ввиду воздействия на витковую и катушечную изоляцию обмоток электрических машин и трансформаторов.
При разрядах молнии в землю или в какой-либо объект вблизи линии электропередачи (молниеотвод, дерево и др.) на проводах линии возникают индуктированные перенапряжения, амплитуда которых тем больше, чем ближе к проводам линии расположен пораженный объект. Амплитуды индуктированных перенапряжений не превышают нескольких сотен киловольт (в очень редких случаях они могут достичь 500—600 кВ).
- Воздействия индуктированных перенапряжений могут представлять опасность лишь для изоляции на землю установок более низкого напряжения (35 кВ и ниже). Защита электрических установок от индуктированных перенапряжений обеспечивается одновременно с их защитой от перенапряжений, возникающих при прямых ударах молнии.
Волны грозовых перенапряжений, возникающие на линии, набегают на подстанции, где они могут повредить изоляцию наиболее дорогостоящего оборудования электрической установки: электрических машин, трансформаторов, реакторов, аппаратов. Защита подстанций от набегающих воли грозовых перенапряжений осуществляется уменьшением вероятности поражения разрядами молнии проводов линии вблизи подстанции (устройство защиты от прямых ударов молнии участков подходов линий к подстанции или защиты всей линии) и ограничением амплитуд волн перенапряжения, набегающих с линий на подстанцию и воздействующих на ее изоляцию.
Основным средством, ограничивающим амплитуды волн грозовых перенапряжений, действующих на изоляцию подстанций, служат вентильные разрядники, размещение которых на подстанциях производится в соответствии с «Руководящими указаниями по защите от перенапряжений».
Внутренние перенапряжения обусловливаются перераспределениями электромагнитной энергии системы. Внутренние перенапряжения могут возникнуть как в переходных режимах после какой-либо коммутации в системе (коммутационные перенапряжения), например при включениях и отключениях линий, трансформаторов, реакторов, при повторных зажиганиях дуги вследствие замыкания на землю, так и в результате резонансных явлений в системе (резонансные перенапряжения). Резонансные перенапряжения обычно ограничивают путем устранения и успокоения возможных резонирующих контуров.

Внутренние перенапряжения характеризуют их кратностью — отношением амплитуды перенапряжения к амплитуде максимального фазного напряжения системы. Кратность коммутационных перенапряжений — величина статистическая, зависящая как от особенностей системы, так и от случайных факторов в момент коммутации. В подавляющем большинстве случаев кратности коммутационных перенапряжений не превышают 2,5—3,0, и лишь в редких случаях амплитуды коммутационных перенапряжений достигают больших величин (чаще в системах более низкого напряжения).
Для находящейся в нормальном состоянии изоляции электрических установок напряжением 110 кВ и ниже коммутационные перенапряжения, как правило, не представляют опасности, и защита от них обеспечивается не специальными защитными аппаратами, а выбором и поддержанием нормального уровня изоляции и применением таких общих мер, как заземление нейтрали системы (непосредственно или через дугогасящую катушку), применение выключающих аппаратов с надлежащими характеристиками и быстродействующих релейных защит. Необходимость специальной защиты от коммутационных перенапряжений появляется в установках более высокого напряжения, изоляция которых не может выдержать воздействия возможных коммутационных_ перенапряжений.
Уровни изоляции электрооборудования подстанций и линий передач высших классов напряжения в значительной степени определяют их стоимость. Это влияние тем сильнее, чем выше класс напряжения. В связи с этим технико-экономические показатели электропередач высших классов напряжения в значительной мере определяются уровнем их изоляции. Чем выше класс напряжения электропередачи, тем ниже должен быть относительный уровень их изоляции, а следовательно, тем относительно более глубоко должны быть ограничены перенапряжения в таких электропередачах. С ростом класса напряжения уровень ограничения в них перенапряжений все заметнее приближается к рабочему напряжению. Если в действующих в нашей стране электропередачах напряжением 330 и 500 кВ перенапряжения ограничиваются соответственно с кратностями до 2,7 и 2,5, то в электропередачах напряжением 750 и 1150 кВ они должны быть ограничены с кратностями уже не более 2,1 и 1,8.
Ограничение коммутационных перенапряжений в электропередачах высших классов напряжения производится также с помощью вентильных разрядников. На такое ограничение рассчитывается изоляция электропередач напряжением 330 кВ и выше, а также изоляция выпускаемых в настоящее время силовых трансформаторов напряжением 150 и 220 кВ. С улучшением характеристик вентильных разрядников защита ими изоляции электрических установок от коммутационных перенапряжений распространяется на нее более низкие классы напряжения. При этом более глубоко ограничиваются с помощью вентильных разрядников и грозовые перенапряжении, воздействующие на соответствующее подстанционное оборудование.

схема простейшего вентильного разрядника
Рис. В-1. Принципиальная схема простейшего вентильного разрядника:  1— искровой промежуток; 2 — нелинейное последовательное сопротивление
Простейший вентильный разрядник имеет искровые промежутки, соединенные последовательно с сопротивлением с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис. В-1). В разрядниках применяются также шунтирующие сопротивления, присоединяемые параллельно искровым промежуткам, а иногда — шунтирующие емкости.

Шунтирующие сопротивления и емкости дают возможность управлять распределением напряжений той или иной длительности по искровым промежуткам вентильных разрядников. Шунтирующие сопротивления служат в большинстве случаев для создания более равномерного распределения по искровым промежуткам разрядников напряжения промышленной частоты и более длительно действующих внутренних перенапряжений. При этом обеспечивается поддержание на требуемом уровне пробивных напряжений разрядников при таких воздействиях. Шунтирующие емкости используются как для выравнивания напряжения, так и для создания более неравномерного его распределения по искровым промежуткам, главным образом, при воздействии на разрядники кратковременных грозовых перенапряжений.

Вентильный разрядник имеет свойство вентиля: после пробоя искровых промежутков разрядника его последовательное сопротивление* меняет электропроводность в зависимости от величины проходящего через него тока (или приложенного к нему напряжения). При увеличении тока через разрядник (или напряжения на последовательном сопротивлении) его электропроводность возрастает, при уменьшении тока (или напряжения на последовательном сопротивлении) — уменьшается.

* В отечественной литературе нелинейное последовательное сопротивление вентильного разрядника нередко называют рабочим сопротивлением — термин не очень удачный, так как в разряднике «работает» не только нелинейное сопротивление, соединенное последовательно с искровыми промежутками, но и сопротивление, присоединенное к ним параллельно. Термин «нелинейное последовательное сопротивление» соответствует рекомендациям МЭК на вентильные разрядники [209, 210].
В вентильных разрядниках с токоограничивающими искровыми промежутками в ограничении сопровождающего тока участвуют и искровые промежутки разрядников.
Название разрядников — по материалу оцелит, использовавшемуся в нелинейных последовательных сопротивлениях.

Защитное действие вентильного разрядника обусловлено тем, что при воздействии перенапряжения, превышающего пробивное напряжение искровых промежутков разрядника (например, при воздействии грозовых перенапряжений, превышающих импульсное пробивное напряжение разрядника), происходит их пробой и последовательное сопротивление разрядника присоединяется к сети.
В дальнейшем действующее на изоляцию перенапряжение определяется падением напряжения на последовательном сопротивлении разрядника вследствие протекания через разрядник тока, обусловленного воздействующим перенапряжением (при грозовых перенапряжениях — тока молнии через разрядник), так называемым остающимся напряжением на разряднике. Остающееся напряжение вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики последовательного сопротивления разрядника и вследствие падения напряжения на предвключенном разряднику сопротивлении (сопротивление линии и канала молнии, индуктивность источника) безопасно для защищаемой изоляции. Ток, следующий за пробоем искровых промежутков грозовым перенапряжением и протекающий через разрядник под действием напряжения промышленной частоты, называется сопровождающим током. Сопровождающий ток или ток срабатывания разрядника под действием внутреннего перенапряжения ограничивается последовательным сопротивлением разрядника, величина которого возрастает со снижением напряжения на разряднике 1.

Рис. В-2. Импульсные напряжения и ток при срабатывании вентильного разрядника от грозового перенапряжения
При уменьшении этого тока до нуля дуга его прерывается искровыми промежутками разрядника. Вентильный разрядник приходит в исходное состояние.
Идеализированные формы импульсного напряжения и тока в вентильном разряднике при срабатывании его под действием грозового перенапряжения изображены на рис. В-2. Здесь tp — время от начала воздействия импульса грозового перенапряжения на разрядник до момента пробоя его искровых промежутков; Up — импульсное пробивное напряжение разрядника; UI — остающееся напряжение на разряднике при протекании через него импульсного тока грозового перенапряжения амплитудой I.

На рис. В-3 представлено напряжение промышленной частоты и сопровождающий ток в разряднике, следующий за пробоем искровых промежутков разрядника грозовым перенапряжением. На этом графике t0 — момент пробоя искровых промежутков разрядника импульсом грозового перенапряжения; tr — момент гашения дуги сопровождающего тока; Iс — амплитуда сопровождающего тока.
В Советском Союзе производство вентильных разрядников было начато в 1930 г. на заводе «Электроаппарат» изготовлением оцелитовых разрядников на напряжение 3—35 кВ 2.  1
С 1935 г. выпускались несколько более совершенные тиритовые разрядники серии РТН, а затем РТИΜ и РЗСН, которые изготавливались на все номинальные напряжения от 3 до 220 кВ.
В 1944 г. был разработан новый более совершенный нелинейный материал для последовательных сопротивлений вентильных разрядников, который был назван вилитом. С использованием вилитовых сопротивлений были разработаны новые вентильные разрядники: серии РВИ па напряжения от 3 до 35 кВ, серии РВС на напряжения от 15 до 220 кВ, серии РВВМ на напряжение от 3 до 10 кВ для защиты вращающихся электрических машин. Выпуск разрядников РВП на 3—10 кВ был начат заводом «Пролетарий» в 1945 г., разрядников РВС —с 1947—48 гг. В 1947— 1949 гг. выпускались также разрядники РВП-35. Разрядники серии РВВМ выпускались с 1950 до 1964 гг.

Рис. В-3. Напряжение и ток вентильного разрядника при промышленной частоте

В 1959 г. В Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая в мире электропередача напряжением 500 кВ. Защита ее от перенапряжений осуществлялась вентильными разрядниками, искровые промежутки которых прерывали дугу сопровождающего тока с помощью магнитного поля, — магнитно-вентильными разрядниками: грозовыми РВМГ-500 и комбинированными РВМК-500. Грозовые разрядники устанавливались на подстанциях около трансформаторов и на шинах подстанций и предназначались для ограничения грозовых и кратковременных внутренних перенапряжений; комбинированные разрядники устанавливались па вводах линий и осуществляли одновременно функции грозового и коммутационного разрядника, ограничивая как грозовое, так и более продолжительные коммутационные перенапряжения. В комбинированных разрядниках был применен новый нелинейный материал для последовательных сопротивлений — тервит, обладающий по сравнению с вилитом повышенной пропускной способностью.
Магнитно-вентильные разрядники, которые но своим характеристикам значительно превосходят выпускавшиеся ранее разрядники, были разработаны также и на другие напряжения. В 1960 г. начали выпускаться грозовые и комбинированные разрядники напряжением 330 кВ, а также магнитно-вентильные — напряжением 150 и 220 кВ. С 1964 г. был начат также серийный выпуск магнитно-вентильных разрядников напряжением от 3 до 35 кВ. С созданием магнитно-вентильных разрядников произошел качественный скачок в использовании вентильных разрядников. Если немагнитные разрядники применялись только для ограничения воздействующих на электрооборудование грозовых перенапряжений и они, как правило, отстраивались от воздействия внутренних перенапряжений, то магнитно-вентильные разрядники напряжением 150 кВ и выше служат для ограничения также и внутренних перенапряжений. Магнитно-вентильные разрядники всех классов напряжения ограничивают грозовые перенапряжения значительно эффективнее, чем немагнитные разрядники.


Рис. В-4. Динамика снижения по годам защитного отношения kзащ (штриховая линия) при номинальном разрядном токе Iр и увеличения этого тока (сплошная линия) вентильных разрядников различных типов напряжением 110 кВ и выше

Разработаны и с 1965 г. выпускаются магнитно-вентильные разрядники на номинальное напряжение 750 кВ, а в 1970 г. разработан, изготовлен и будет установлен в опытную эксплуатацию магнитно-вентильный разрядник напряжением 1150 кВ.

Проводится разработка, и с 1969—1970 гг. начато изготовление опытных магнитно-вентильных разрядников РВТ напряжением от 3 до 500 кВ с улучшенными характеристиками; ограничение сопровождающего тока здесь осуществляется не только нелинейным последовательным сопротивлением, но и за счет значительного падения напряжения на искровых промежутках.
В 1960 г. был введен в действие государственный стандарт на вентильные разрядники (ГОСТ 8934—58), а в 1964 г.— стандарт на магнитно-вентильные разрядники (ГОСТ 10257—62). Разработан и в 1970 г. утвержден новый стандарт, регламентирующий технические требования как к магнитным, так и к немагнитным разрядникам переменного тока (ГОСТ 16357—70) 1981.

Защитное действие вентильных разрядников, как видно из рис. В-4, непрерывно улучшается: снижается защитное отношение и увеличиваются номинальные разрядные токи разрядников. Это позволило обеспечить необходимое ограничение перенапряжений в электропередачах высших классов напряжений, повысило надежность защиты электрооборудования от перенапряжений, а также позволило снизить испытательные напряжения силовых трансформаторов напряжением 150 и 220 кВ, что нашло отражение в утвержденном в 1968 г. ГОСТ 1516—68, и дает народному хозяйству страны значительный экономический эффект. Создание новых вентильных разрядников с улучшенными характеристиками открывает в этом направлении дальнейшие перспективы.
Аналогичен путь развития и улучшения характеристик вентильных разрядников и за рубежом. В настоящее время все передовые фирмы выпускают магнитно-вентильные разрядники, непрерывно улучшая их характеристики.
Вентильные разрядники являются ответственными элементами электроустановок, так как от их характеристик зависят в значительной степени уровни изоляции электрооборудования. Правильная установка вентильных разрядников практически исключает возможность появления на подстанции перенапряжений, представляющих опасность для изоляции ее оборудования.
Как в нашей стране, так и за рубежом производится систематическое улучшение характеристик вентильных разрядников: снижаются остающиеся и импульсные пробивные напряжения разрядников, понижаются с целью более глубокого ограничения возникающих в системах внутренних перенапряжений пробивные напряжения разрядников при промышленной частоте. Одновременно повышается пропускная способность, а в некоторых случаях и дугогасящая способность разрядников. Можно предполагать, что в ближайшем будущем ограничение грозовых и внутренних перенапряжений в системах разного напряжения будет осуществляться так эффективно, что уровни изоляции электрооборудования будут определяться только воздействием рабочего напряжения. Одновременно происходит процесс уменьшения габаритов вентильных разрядников: разрядники все более высокого напряжения изготовляются в одном элементе, причем в целях уменьшения высоты разрядников внутренние их детали размещаются физически параллельно при электрическом последовательном их соединении. Создаются вентильные разрядники для электропередач все более высокого напряжения.
Основными активными элементами вентильных разрядников являются искровые промежутки и нелинейные сопротивления. Их описанию и посвящены первые две главы настоящей книги. В последующих главах излагаются сведения о характеристиках и конструкциях вентильных разрядников, а также о различных особенностях эксплуатации разрядников.
Понятия защитного отношения и номинального разрядного тока разрядника даны в § 3-4 и 3-5.



 
« Вакуумная сильноточная дуга в магнитном поле   Влияние конструкции экранов на характеристики вакуумных дугогасительных камер »
электрические сети