3. Конструкции трубчатых разрядников
Устройство трубчатого разрядника (РТ) показано на рис. 2. Корпусом РТ является изоляционная трубка 1, выполненная из газогенерирующего материала (винипласт или фибра) или имеющая внутреннюю вставку из такого материала. РТ при нормальной работе установки отделен от линии воздушным промежутком S2. При появлении грозового 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 трубки в промежутке S1 между электродами 2 и 3 загорается дуга. Внутри корпуса поднимается давление. Образующиеся газы могут выходить через отверстие в кольцевом электроде
Рис. 2. Трубчатый разрядник
При прохождении тока через нуль происходит гашение дуги под действием охлаждения промежутка S1 газами, выходящими из разрядника. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутком S2,
препятствующим разложению газогенерирующего материала трубки под действием токов утечки. При воздействии импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются и импульсный ток отводится в землю. При протекании вслед за импульсным сопровождающего тока под действием высокой температуры дугового разряда происходит разложение материала трубки, выделение газа и повышение давления. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, вызывающее гашение дуги при прохождении тока через нулевое значение.
В заземленном электроде 4 имеется буферный объем 5, где накапливается потенциальная энергия сжатого газа. При прохождении тока через нуль создается газовое дутье из буферного объема, что тоже способствует эффективному гашению дуги (см. трубчатый разрядник в лаборатории).
Для РТ устанавливаются верхний и нижний пределы отключаемых токов, зависящие от размеров внутреннего канала трубки. Верхний предел обусловлен механической прочностью корпуса РТ, нижний - давлением, зависящим от отключаемого тока, при котором обеспечивается надежное гашение дуги сопровождающего тока.
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 связи с этим трубчатые разрядники непригодны для защиты станционного оборудования.
В эксплуатации находятся РТ с фибробакелитовыми трубками (типа РТ) и с трубками из винипласта (типа РТВ). В фибробакелитовом разряднике в качестве газогенерирующего материала применяется фибра. Корпусом РТ является бакелитовая трубка. РТ такого типа имеют камеру у закрытого конца
трубки, являющуюся буфером и способствующую накоплению газов, которые при прохождении тока через нуль обеспечивают интенсивное продольное дутье. РТ с трубками из винипласта, имеющего лучшие изоляционные и газогенерирующие свойства, имеют более простую конструкцию, более высокую механическую прочность, и следовательно, высокий верхний предел отключаемых токов.
Особенностью установки всех РТ является необходимость обеспечения зоны выхлопа, в которую не должны попадать провода других фаз и заземленные конструкции, а также зоны выхлопов РТ, защищающих другие фазы. Размеры этих зон значительны, например, для РТ на 35 кВ ее длина равна 3 и ширина 1,5 м.
Основные недостатки РТ: нестабильные характеристики, наличие зоны выхлопа и крутая вольт-секундная характеристика.
В результате трубчатые разрядники широко заменялись более совершенными устройствами ограничения перенапряжений - вентильными разрядниками.
4. Конструкции вентильных разрядников
Вентильный разрядник (РВ) - разрядник, имеющий однократный или многократный искровой промежуток, включенный последовательно с рабочим резистором с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). В некоторых разрядниках параллельно искровым промежуткам присоединяются шунтирующие резисторы и конденсаторы, дающие возможность управлять распределением напряжений различной длительности по искровым промежуткам. Шунтирующие резисторы выравнивают распределение по искровым промежуткам медленно изменяющихся во времени напряжений промышленной частоты и внутренних перенапряжений.
Шунтирующие конденсаторы используются как для выравнивания напряжения, так и для регулирования вольт-секундной характеристики искровых промежутков, главным образом при воздействии на них грозовых перенапряжений.
При воздействии перенапряжений, превышающих пробивное напряжение искровых промежутков, происходит их пробой и через искровые промежутки и нелинейный резистор начинает протекать сначала импульсный, а затем сопровождающий ток. Действующее на изоляцию перенапряжение будет определяться падением напряжения от этих токов на нелинейном резисторе, В АХ которого имеет вид, показанный на рис. 3.
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика нелинейных резисторов вентильного разрядника:
1 -больший (тервит, тирит) и 2 - меньший (вилит) коэффициенты нелинейности
Технические требования к РВ переменного тока напряжением от 3 до 500 кВ определены ГОСТ 16357-70.
Нормированные этим ГОСТом основные характеристики вентильного разрядника:
1. Напряжение гашения иГдш - наибольше приложенное к разряднику напряжение промышленной частоты, при котором надежно обрывается сопровождающий ток. Это напряжение определяется свойствами разрядника. Если при КЗ на землю одной фазы на свободных фазах появляется перенапряжение, то напряжение гашения, прикладываемое к разряднику, определяется уравнением Игаш = К3 UHom,
где К3 - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; Uhom ~ номинальное линейное напряжение сети. Для участков с заземленной нейтралью К3 = 0,8, для изолированной нейтрали К3 = 1,1. 3. Ток гашения 1гаш, под которым понимается сопровождающий ток, соответствующий напряжению гашения Цгаш-
3. Дугогасящее действие искрового промежутка характеризуется
коэффициентом КГаш = Unp / UrAiu>
где Unp — напряжение пробоя частотой 50 Гц искрового промежутка.
4. Защитное действие нелинейного резистора характеризуется
коэффициентом защиты
К3АЩ = UoCT / ("V2 UrAIIl)*
где Uoct - напряжение на разряднике при импульсном токе 5-14 кА. Это напряжение должно быть на 20-25 % ниже разрядного напряжения защищаемой изоляции.
В настоящее время в отечественных установках эксплуатируются следующие серии РВ: РВП - подстанционные; РВС - станционные; РВМ -магнитные; РВМГ - магнитные грозовые; РВМК - магнитные комбинированные; РВТ - токоограничивающие; РВРД - с растягивающейся дугой.
Разрядники всех классов напряжений по защитным свойствам разделены на четыре группы: 1 - серии РВТ и РВРД; П - серии РВМ; Ш -серии РВС; 1У - серии РВП. Наилучшими свойствами обладают РВ 1 группы,
имеющие наименьшие значения остающегося напряжения, наихудшими - 1У группы.
Серия разрядников РВП выпускается на напряжения 3, 6 и 10 кВ. На рис. 4. показан разрез разрядника РВП-6. Набор искровых промежутков 4 и последовательные резисторы 6 размещены в фарфоровой покрышке 7 и сжаты пружиной 9. Положение вилитового резистора внутри покрышки фиксируется при помощи фетра 10 или войлока. Искровые промежутки собраны внутри изоляционного цилиндра 5. Разрядник герметизирован с помощью прокладок 2 из резины, стойкой к воздействию озона. Верхнее уплотнение закрывается металлической крышкой 11, нижнее - диафрагмой 8 и заклинивается металлическими нажимными элементами 1. Разрядник крепится с помощью хомута 3. К токоведущей шине разрядник подсоединяется болтом 1, к заземляющей шине - шпилькой 13.
РВ серии РВС, которая выпускается в виде пяти стандартных элементов на 15, 20, 30, 33 и 35 кВ, комплектуемых последовательно на нижний уровень напряжения от 15 до 220 кВ. Для создания более равномерного распределения напряжения по искровым промежуткам каждая группа из четырех единичных промежутков шунтируется резистором. Разрез разрядника РВС - 15 показан на рис. 5. В фарфоровой покрышке 3 в верхней и нижней частях разрядника расположены блоки искровых промежутков 5, между которыми находятся вилитовые диски 4. Такая компоновка искровых промежутков снижает коэффициент импульса разрядника. Необходимое контактное нажатие создается пружинами 6, шунтированными медными лентами. Верхний и нижний концы покрышки армированы силуминовыми фланцами 2, к которым через озоностойкую резиновую прокладку 7, обеспечивающую герметизацию внутренней полости разрядника, притягивается силуминовая или латунная крышка 1.
Рис. 4. Вентильный разрядник Рис. 5. Вентильный разрядник РВП-6 РВС-15
Блоки искровых промежутков собраны в изоляционных цилиндрах и шунтированы резисторами из тирита.
Вилит широко применяется в качестве материала нелинейных резисторов. В области больших токов его показатель нелинейности а = 0,13-0,2. Вилит очень гигроскопичен. Для защиты от влаги цилиндрическая поверхность дисков покрывается изолирующей обмазкой. Торцевые поверхности являются контактными и металлизируются.
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 а = 0,15-0,29.
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 на рис. 6.6). При атмосферных перенапряжениях из-за большого тока напряжение на НР2 пробивает промежуток ИП2 и напряжение на защищаемой линии снижается (кривая2).
Вентильные разрядники работают бесшумно. Число срабатываний фиксируется специальным регистратором, который включается нижним выводом разрядника и заземлением. Наиболее надежны электромагнитные регистраторы, якорь которых при прохождении импульсного тока воздействует на храповой механизм счетного устройства.
Рис. 6. Комбинированный разрядник с тервитовыми резисторами
Для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования переменного тока используется, например, вентильный разрядник РВС-110МУ1: Р - разрядник, В - вентильный, С - станционный, на номинальное напряжение 110 кВ, М - с магнитным гашением дуги, У - для работы в умеренном климате, 1 - для работы на открытом воздухе, массой 175 кг.
