Единичные искровые промежутки.
Пробивные напряжения единичных искровых промежутков вентильных разрядников измеряются при промышленной частоте и при воздействии импульсов.
Вольт-секундная характеристика искрового промежутка разрядника, как указывалось в § 1-1, должна быть по возможности горизонтальной в широком диапазоне предразрядного времени с коэффициентом импульса, близким к единице. С этой целью, а также для уменьшения разброса пробивных напряжений промежутков применяют их активизацию. Улучшению характеристик искрового промежутка типа РВС способствует также то, что электрическое поле в рабочей зоне промежутка близко к равномерному.
В активизированном промежутке имеется зона с повышенным градиентом напряжения, в которой до пробоя промежутка появляются частичные разряды, создающие активизирующее свечение. Возникающие при этом фотоэлектроны проникают в основную рабочую зону промежутка и стабилизируют в ней пробой.
Действие активизации промежутка проявляется тем сильнее, чем выше пробивное напряжение промежутка по сравнению с напряжением, при котором возникают активизирующие разряды, причем ближе область активизации к рабочей зоне промежутка.
Поэтому у искровых промежутков типа РВС с данной толщиной изоляционной прокладки эффект активизации проявляется слабее при меньшем пробивном напряжении промежутка, а у промежутков с данной величиной пробивного напряжения, по с различной толщиной прокладки — при большей толщине прокладки.
Уменьшение активизации промежутка проявляется в первую очередь в возрастании его коэффициента импульса при малых пред раз рядных временах.
Рис. 1-19. Кривые вероятностей ψ значений коэффициента импульса k промежутка РВС с различным пробивным напряжением при 50 Гц для предразрядного времени 0,4—2,8 мксек
Кривые вероятностей ψ значений коэффициента импульса искрового промежутка РВС1 при предразрядном времени 0,4—2,8 мксек, по данным 1731, приведены на рис. 1-19. При уменьшении пробивного напряжения промежутка - от 4,0 до 2,8 кВ коэффициент импульса, соответствующий ψ = 0,5, возрос примерно с 1,04 до 1,09. Более значительно возрастает коэффициент импульса, соответствующий близкой к нулю вероятности,— с 1,1 до 1,2.
При уменьшении активизации промежутка с пробивным напряжением 4 кВ за счет уменьшения в 3—4 раза линии, по которой возникает активизирующее свечение, коэффициент импульса увеличился до 1,15 и 1,3 для φ, равного 0,5 и 0,05 соответственно.
Вольт-секундная характеристика единичного искрового промежутка РВС приведена на рис. 1-20 [73]. Вследствие более слабой активизации промежутка коэффициент импульса искровых промежутков с вращающейся и растягивающейся дугой несколько выше, чем у промежутка РВС. 1 2
У разрядников разного типа на различные номинальные напряжения применяются искровые промежутки РВС с пробивным напряжением при частоте 50 Гц от 3,4 до 4,7 кВ. Единичные искровые промежутки с вращающейся дугой используются с пробивным напряжением от 4,5 до 5,5 кВ в разрядниках РВМ и РВМГ и с пробивным напряжением от 3,2 до 3,8 кВ в разрядниках РВМК-П.
1 Для промежутков РВС с рабочей зоной диаметром U — 20 мм, применявшихся в разрядниках до 1956 г.
2 Здесь и в дальнейшем пробивное напряжение искровых промежутков приводится в амплитудных значениях.
Как будет показано ниже, с уменьшением пробивного напряжения промежутка его дугогасящая способность возрастает. Поэтому пробивное напряжение единичного промежутка выбирают, исходя из требований, предъявляемых к его дугогасящей способности, и принимая во внимание желательные габариты многократного промежутка.
Рис. 1-20. Вольт-секундная характеристика искрового промежутка РВС Пробивное напряжение при 50 Гц = 4 кВ.
При очень низком значении пробивного напряжения снижается стабильность пробивного напряжения вследствие механических и температурных деформаций электродов, ускоряется «старение» промежутка под действием тока, протекающего через разрядник. Поэтому пробивное напряжение промежутков не рекомендуется принимать ниже 2,8—3,2 кВ. Это напряжение получается при искровом зазоре, равном примерно 0,5 мм.
Верхний предел пробивного напряжения единичных промежутков определяется электрической прочностью изоляционной конструкции промежутка. Этот предел в зависимости от исполнения промежутка может составлять 5,5—7,5 кВ.
Разрядники данного типа комплектуются из единичных искровых промежутков, среднее пробивное напряжение которых отличается от среднего для данного типа разрядников не более чем на 3—6%. Установление необходимого пробивного напряжения единичных искровых промежутков в процессе производства осуществляется регулированием величины искрового зазора.
Пробивное напряжение единичного искрового промежутка подвержено разбросу, который подчиняется нормальному закону. Коэффициент вариации пробивного напряжения единичных искровых промежутков отечественных разрядников при частоте 50 Гц составляет 0,2—0,5% среднего значения пробивного напряжения.
Многократные искровые промежутки. В разрядниках высокого напряжения применяются многократные искровые промежутки, пробивное напряжение которых в значительной степени определяется распределением напряжения по единичным промежуткам. У многократного искрового промежутка, у которого параллельно единичным промежуткам не присоединены ни шунтирующие сопротивления, ни шунтирующие емкости, распределение напряжения по промежуткам как при 50 Гц, так и при импульсах неравномерное и определяется в основном распределением напряжения по собственным емкостям разрядника (рис. 1-21). Так как емкости С' деталей разрядника на землю превышают соответствующие емкости С" на линейный зажим, токи через емкости С' превышают токи через С", i' >> i". Поэтому при одинаковых продольных емкостях С большее напряжение приходится на верхние емкости С.
У разрядников с шунтирующими сопротивлениями распределение напряжения по емкостям оказывает существенное влияние на величину импульсного пробивного напряжения, так как емкостные сопротивления промежутков при импульсах значительно меньше, чем соответствующие значения шунтирующих сопротивлений. Так, например, комплект из четырех единичных искровых промежутков РВС имеет при частоте 105 Гц (когда крутизну нарастания напряжения можно считать равной крутизне нарастания импульса грозового перенапряжения) емкостное сопротивление около 0,05 Мом, а шунтирующее сопротивление с коэффициентом нелинейности 0,35, присоединенное параллельно этому комплекту промежутков, имеет перед пробоем промежутков сопротивление около 0,5 Мом. При частоте 50 Гц картина обратная: емкостные сопротивления значительно больше, чем шунтирующие сопротивления перед пробоем промежутков.
Рис. 1-21. Принципиальная схема собственных емкостен разрядника
Неравномерность распределения напряжения по многократному искровому промежутку, обусловленная распределением напряжения по емкостям, тем больше, чем больше число единичных промежутков в многократном промежутке, чем из большего числа элементов состоит разрядник, чем меньше собственные продольные емкости разрядника С и больше емкости на землю деталей разрядника С. При размещении искровых промежутков в разряднике параллельными колоннами с применением соответствующих изоляционных деталей продольные емкости С обычно возрастают, что способствует уменьшению емкостной неравномерности распределения напряжения по промежуткам.
По многократным искровым промежуткам разрядников более высокого напряжения распределение напряжения настолько неравномерное, что импульсное пробивное напряжение таких разрядников оказывается чересчур низким. Это может приводить к многократным срабатываниям таких разрядников при перенапряжениях, не представляющих опасности для защищаемой изоляции. Поэтому в разрядниках более высокого напряжения
(обычно начинай с номинального напряжения 110—220 кВ) применяют присоединенные к линейному зажиму экраны в виде колец или иной формы, которые, увеличивая емкости С" деталей разрядника на линейный вывод, несколько уменьшают неравномерность распределения напряжения по емкостям. В разрядниках РВС на 110—220 кВ экранирующие кольца повышают импульсное пробивное напряжение разрядников на 20—30% [78].
При присоединении экрана к линейному выводу разрядника не непосредственно, а через высокоомное сопротивление выравнивание распределения напряжения по промежуткам происходит при более длительных воздействиях напряжения (при 50 Гц и внутренних перенапряжениях). При кратковременных же импульсных воздействиях емкость экрана не успевает зарядиться и выравнивающее действие его не проявляется. Такое присоединение экрана применялось у выпускавшегося в нашей стране до 1949 г, разрядника РВП-35.
В некоторых разрядниках с относительно небольшим числом единичных искровых промежутков, имеющих шунтирующие сопротивления (разрядники РВС π РВМ на номинальные напряжения 15—35 кВ), для снижения импульсного пробивного напряжения искровые промежутки размещаются двумя группами с блоками последовательного сопротивления между ними. При этом вследствие того, что блоки последовательного сопротивления имеют довольно значительную емкость на землю, неравномерность распределения импульсного напряжения по емкостям увеличивается, что снижает коэффициент импульса разрядника на 10— 15% по сравнению со случаем размещения всех искровых промежутков одной группой.
В разрядниках с большим числом единичных искровых промежутков или с относительно небольшим числом промежутков (если необходимо иметь меньшие значения коэффициента импульса, чем у единичного искрового промежутка) для выравнивания распределения напряжения по промежуткам при длительно действующих напряжениях (при 50 Гц или внутренних перенапряжениях) параллельно искровым промежуткам присоединяют активные шунтирующие сопротивления. При этом одинаковые количества промежутков шунтируются сопротивлениями одинаковой величины. Под действием рабочего напряжения через шунтирующие сопротивления постоянно протекает ток, который желательно иметь минимальным (обычно десятые доли миллиампера). С другой стороны, при повышении напряжения на разряднике до пробоя лучшее выравнивание напряжения по промежуткам осуществляется при больших значениях тока через шунтирующие сопротивления (обычно десятки миллиампер). Поэтому шунтирующие сопротивления применяют с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Применение шунтирующих сопротивлений, которые практически полностью выравнивают распределение напряжения по промежуткам при промышленной частоте и почти не влияют на распределение напряжения по емкостям, характерное для кратковременных импульсных воздействий, существенно уменьшает коэффициент импульса многократного искрового промежутка разрядников более высокого напряжения при малых предразрядных временах (единицы и десятки микросекунд) по сравнению с коэффициентом импульса единичного искрового промежутка, Так, например, у разрядников РВС-110 коэффициент импульса при предразрядном времени 2—8 мксек снижается до 0,7—0,8, а у разрядника РВМГ-500 — до 0,6—0,7.
Рис. 1-22. Вольт-секунд пая характеристика разрядника РВМК-330 с шунтирующими сопротивлениями
Крестиком обозначена отрицательная полярность импульса, точкой — положительная полярность
Для вентильных разрядников па классы напряжения до 110 кВ достаточно знать вольт-секундную характеристику при воздействии перенапряжений грозового характера, т. е. в диапазоне предразрядных времен примерно от 0,5 до 10—20 мксек. Для вентильных разрядников на более высокие классы напряжения представляет интерес вольт-секундная характеристика при предразрядных временах вплоть до 5000 мксек. Такая характеристика для разрядника РВМК-330 приведена на рис. 1-22 [71]. В диапазоне предразрядных времен от 0,5 до 10—20 мксек, соответствующем грозовым воздействиям на разрядник, вольт-секундная характеристика многократных искровых промежутков разрядников высокого напряжения имеет характерную впадину. Повышение пробивного напряжения при малых предразрядных временах обусловлено условиями формирования разряда в искровых промежутках разрядников при кратковременных воздействиях напряжения. Минимум пробивного напряжения у разрядников с шунтирующими сопротивлениями соответствует единицам — десятку микросекунд, а постепенное увеличение пробивного напряжения при больших предразрядных временах связано с выравниванием шунтирующими сопротивлениями распределения напряжения по промежуткам. Пробивные напряжения при воздействиях длительностью в несколько сот или тысяч микросекунд (диапазон воздействий на разрядники коммутационных перенапряжений) могут несколько превышать пробивное напряжение при промышленной частоте, так как в последнем случае больше вероятность пробоя промежутков при меньших значениях напряжения вследствие длительного воздействия напряжения. Для разрядника, вольт-секундная характеристика которого изображена на рис. 1-22, среднее пробивное напряжение при пологих импульсах в диапазоне предразрядного времени 2000—5000 мксек превысило среднее пробивное напряжение при частоте 50 Гц на 6%.
Глубина и «продолжительность» впадины вольт-секундной характеристики многократного искрового промежутка разрядника зависит от величин собственных емкостей деталей разрядника (емкости С, С', С" на рис. 1-21) и электропроводности шунтирующих сопротивлений.
Рис. 1-23. К оценке влияния последовательного сопротивления на коэффициент импульса разрядника
Последовательное сопротивление разрядника также оказывает некоторое влияние на его коэффициент импульса. Эксперименты показывают, что вследствие падения напряжения на емкостях блоков последовательного сопротивления импульсное пробивное напряжение разрядника, не имеющего шунтирующих сопротивлений, возрастает, но не более чем на 10%. При наличии шунтирующих сопротивлений, как показано в [40], коэффициент импульса разрядника может быть ниже коэффициента импульса его многократного искрового промежутка, если r2С2>r1С1 (рис. 1-23): С1 и r1—эквивалентная емкость искровых промежутков и величина шунтирующих их сопротивлений, а С2 и r2 — эквивалентная емкость и сопротивление блока последовательного сопротивления. Поэтому большая электропроводность и нелинейность шунтирующих сопротивлений благоприятны с точки зрения снижения коэффициента импульса разрядника. У разрядников РВС на последовательное сопротивление перед пробоем искровых промежутков приходится при 50 Гц 2—3% напряжения, а при импульсах 8—10%. Поэтому последовательное сопротивление увеличивает коэффициент импульса разрядников РВС на 5—8%.
При комплектовке многоэлементного разрядника из элементов с разным пробивным напряжением импульсное пробивное напряжение разрядника будет ниже, если верхним (а при большом числе элементов и глубоком экране — вторым или третьим сверху) установлен элемент с более низким пробивным напряжением. Пробивное же напряжение разрядника из таких элементов при промышленной частоте будет определяться элементом с более низким пробивным напряжением вне зависимости от его расположения по высоте разрядника.
Если разрядник комплектуется из элементов (или блоков) с примерно одинаковым пробивным напряжением, но с различной нелинейностью шунтирующих сопротивлений, распределение напряжения промышленной частоты по элементам (блокам) перед пробоем искажается и пробивное напряжение такого разрядника будет ниже, чем в случае одинаковой нелинейности шунтирующих сопротивлений. Пробивное напряжение разрядника в первом случае определяется элементом (блоком), шунтирующие сопротивления которого имеют наибольший коэффициент нелинейности. Так, у элемента разрядника PBC-15, три комплекта которого имели шунтирующие сопротивления с коэффициентом нелинейности а — 0,32—0,35, а один комплект — с а = 0,44 (об оценке коэффициента нелинейности шунтирующих сопротивлений см. в § 2-4), пробивное напряжение при частоте 50 Гц было на 13,5% ниже, чем в случае применения шунтирующих сопротивлений с одинаковым коэффициентом нелинейности.
Пробивное напряжение многократного искрового промежутка вентильных разрядников подвержено разбросу, соответствующему нормальному закону распределения.
Суммарный разброс пробивного напряжения многоэлементного разрядника при частоте 50 Гц может быть оценен по трем составляющим [46].
- Разброс пробивного напряжения данного разрядника относительно среднего значения, характеризуемый коэффициентом вариации v1.
- Разброс коэффициента, связывающего пробивное напряжение разрядника с пробивным напряжением элемента с наименьшим пробивным напряжением. Этот разброс, характеризуемый коэффициентом вариации v2, по-видимому, в значительной степени обусловлен разбросом коэффициента нелинейности шунтирующих сопротивлений различных элементов.
Рис. 1-24. Присоединение емкостей для снижения коэффициента импульса разрядников РВМ на 3—10 кВ
- Разброс средних значений пробивных напряжений элементов с наименьшим пробивным напряжением, который зависит от возможностей производства однотипных элементов и оценивается коэффициентом va.
По данным, полученным на основании испытаний 25 магнитновентильных разрядников РВМГ и РВМК разного напряжения 146], в среднем ν1=2%; ν2=4%; v3= 3%. Принималось, что все три составляющие разброса независимы друг от друга, и суммарный разброс пробивного напряжения магнитно-вентильных разрядников относительно нормируемого среднего значения оценивался следующим коэффициентом вариации (в процентах):
Соответствующее значение коэффициента вариации для разрядников РВС vр = 4,1%,
Рис. 1-25. Присоединение шунтирующих емкостей
В разрядниках некоторых конструкций для управления распределением напряжения по многократному искровому промежутку применяют шунтирующие емкости.
Присоединение шунтирующих емкостей параллельно части искровых промежутков (рис. 1-24) усиливает неравномерность распределения импульсного напряжения по промежуткам и существенно снижает коэффициент импульса разрядника. При этом в зависимости от величин этих емкостей и электропроводности и нелинейности шунтирующих сопротивлений может быть получена желательная конфигурация вольт- секундной характеристики многократного искрового промежутка разрядника.
Присоединение шунтирующих емкостей одинаковой величины параллельно всем промежуткам разрядника (рис. 1-25) применяется для выравнивания распределения импульсного напряжения и увеличения тем самым коэффициента импульса многократного искрового промежутка разрядника в области минимальных значений напряжения вольт-секундной характеристики.
Эффект выравнивания вольт-секундной характеристики проявляется тем сильнее, чем больше шунтирующие емкости, а также если эти емкости присоединяются параллельно меньшему числу последовательно соединенных промежутков (шунтирование 4 промежутков емкостью С более эффективно, чем шунтирование 8 промежутков емкостью С/2). Более эффективно выравнивание распределения импульсного напряжения, если параллельно верхним, более загруженным, промежуткам присоединяются емкости большей величины, чем параллельно нижним промежуткам.
Присоединяя параллельно искровым промежуткам в соответствии со схемой рис. 1-25 шунтирующие емкости разной величины (при соответствующем ее выборе), можно снижать и коэффициент импульса многократного искрового промежутка.
Емкостная шунтировка искровых промежутков находит применение в разрядниках более высокого напряжения.
