В тех случаях, когда восстанавливающаяся прочность единичного искрового промежутка недостаточна для обеспечения дугогасящей способности разрядника, можно применить специальные схемы включения искровых промежутков, при которых достигается повышение восстанавливающейся прочности многократного искрового промежутка по сравнению с единичным. В практике производства разрядников получили распространение две такие схемы: схема с неоднородной шунтировкой искровых промежутков сопротивлениями разной нелинейности и схема с применением поджигающих искровых промежутков.
Идея применения первой из этих схем заключается в такой комплектовке шунтирующих сопротивлений, при которой в режиме гашения напряжение распределяется равномерно по всем искровым промежуткам, а в предпробивном режиме равномерность распределения напряжения нарушается [95]. При этом достигается определенное повышение восстанавливающейся прочности разрядника в целом. В случае второй схемы напряжение в режиме гашения также распределяется равномерно по всем искровым промежуткам, но благодаря схеме поджига пробой разрядника происходит при напряжении, меньшем, чем сумма пробивных напряжений искровых промежутков. В результате достигается тот же эффект повышения относительной восстанавливающейся прочности разрядника.
Рассмотрим каждую из этих схем.
Схема с неоднородной шунтировкой.
Представляет практический интерес случай, когда одна часть многократного искрового промежутка шунтирована нелинейными сопротивлениями (коэффициент нелинейности α=0,3-0,5), а другая часть — линейными сопротивлениями.
Допустим, что единичный искровой промежуток (или комплект искровых промежутков) характеризуется пробивным напряжением U0, напряжением гашения U1 и относительной восстанавливающейся прочностью ν0 =U1/U0. Предположим далее, что многократный искровой промежуток состоит из т+п единичных промежутков, включенных последовательно. Каждый из т промежутков шунтирован нелинейным сопротивлением с характеристикой.
а параллельно каждому из п промежутков подключено сопротивление
Введем отношение
которое характеризует прирост восстанавливающейся прочности разрядника в результате применения неоднородной шунтировки. Можно показать, что наибольшее значение этого отношения
Таблица 1-1
Результаты расчета схемы с неоднородной шунтировкой
Ряд значении v/v0 и υ при различных υ0 и а приведены в табл. 1-1. Наибольший прирост восстанавливающейся прочности, который может быть получен при использовании неоднородной шунтировки, составляет 1,2—1,3 в зависимости от коэффициента нелинейности шунтирующих сопротивлений (значения v0 <0,6 практического интереса не представляют). Если, кроме того, учесть возможный разброс характеристик искровых промежутков, то этот прирост, по-видимому, будет несколько ниже. С увеличением восстанавливающейся прочности единичных промежутков эффективность схемы снижается.
Рис. 1-43. Схема поджига искровых промежутков
Из таблицы видно, что наибольшая величина относительной восстанавливающейся прочности разрядника, которая может быть получена в результате применения неоднородной шунтировки, составляет
0,85—0,9.
Схему с неоднородной шунтировкой искровых промежутков, по-видимому, целесообразно применять при относительно умеренных значениях восстанавливающейся прочности единичных промежутков или их комплектов. Следует также иметь в виду, что схема эффективна только в том случае, когда температурные коэффициенты линейного и нелинейного сопротивлений близки между собой. В противном случае восстанавливающаяся прочность разрядника и его пробивное напряжение будут зависеть от температуры.
Схема с применением поджигающих искровых промежутков
Схема с применением поджигающих искровых промежутков представлена на рис. 1-43. На этом рисунке ИП1 и ИП2— силовые искровые промежутки, ИПП — поджигающий искровой промежуток, НС1
и НС2 — одинаковые по характеристикам нелинейные шунтирующие сопротивления, R — линейное сопротивление, значительно меньшее НС1 и НС2. Повышение восстанавливающейся прочности достигается благодаря тому, что пробивное напряжение системы искровых промежутков меньше суммы пробивных напряжений единичных силовых промежутков.
Пусть U1, U2 и U3 — пробивные напряжения искровых промежутков ИП1, ИП2 и ИПП соответственно. Примем U1= U2, a U3 > 0,5 U1. Тогда при повышении напряжения, приложенного к системе промежутков, до значения 2U3 последовательно пробьются поджигающий искровой промежуток и силовые промежутки ИП1 и ИП2. После пробоя промежутка ИП2 ограничиваемый сопротивлением R ток, протекающий через поджигающий искровой промежуток, не превышает десятков миллиампер. При таком токе разряд в поджигающем промежутке не может существовать в форме дуги, а для поддержания тлеющего разряда недостаточно напряжения, приложенного к промежутку. Поэтому через поджигающий искровой промежуток будет протекать импульсный ток весьма кратковременно, до момента пробоя промежутка ИП2, а сопровождающий ток разрядника будет протекать только через силовые искровые промежутки. Для уменьшения времени срабатывания схемы рекомендуется сопротивление R зашунтировать емкостью С, превышающей в 10—100 раз емкость силового искрового промежутка. Если пробивное напряжение поджигающего искрового промежутка
где 0,5 k < 1, то пробивное напряжение системы промежутков составит 2kU1. Напряжение гашения двух последовательно включенных промежутков равно 2U1v0, где v0 — восстанавливающаяся прочность единичного силового промежутка. Поэтому восстанавливающаяся прочность системы промежутков
(1-1)
Естественно, что v не может быть больше единицы.
Исследования показали, что средняя восстанавливающаяся прочность системы промежутков спустя 1—5 мсек после погасания дуги не превышает примерно 0,95. Невозможность получить 100%-ную восстанавливающуюся прочность многократного промежутка объясняется, по-видимому, тем, что спустя несколько миллисекунд после прекращения разряда процесс деионизации в поджигающем промежутке полностью не завершается. Напомним, что в промежутках с вращающейся дугой при снижении нагрузочного тока восстанавливающаяся прочность стремится к той же примерно величине 0,93—0,95 (см. стр. 51). Поэтому в тех случаях, когда восстанавливающаяся прочность силовых промежутков превышает пробивное напряжение системы, напряжение ее повторного пробоя определяется восстанавливающейся прочностью поджигающего искрового промежутка.
Таким образом, формулой (1-1) можно пользоваться при значениях v≤ 0,95. В остальных случаях следует принимать v≈0,95.
Рис. 1-44. Схема поджига искровых промежутков: 1 — комплект силовых промежутков; 2 — шунтирующее сопротивление; 3 — поджигающий искровой промежуток
В ряде случаев приходится отдавать предпочтение модификации схемы поджига, приведенной на рис. 1-44, как более конструктивной. По этой причине вариант схемы поджига по рис. 1-44 используется в отечественных разрядниках на напряжения 330— 750 кВ (см. § 4-5).
Пусть многократный искровой промежуток разрядника состоит из
т+п комплектов искровых промежутков с одинаковым пробивным напряжением, шунтированных одинаковыми по величине и нелинейности высокоомными сопротивлениями. В каждом из т комплектов параллельно k-й части нелинейного сопротивления подключен поджигающий искровой промежуток (ИПП). При этом пробой разрядника будет проходить в три этапа. Вначале пробьются ИПП, вслед за ними η комплектов искровых и, наконец, т комплектов силовых промежутков, завершив тем самым пробой разрядника в целом.
Пусть U1 — среднее пробивное напряжение ИПП, U2— среднее пробивное напряжение комплекта искровых промежутков и Uпр — среднее пробивное напряжение разрядника. Тогда пробивное напряжение ИПП связано с пробивным напряжением разрядника выражением:
(1-2)
После пробоя поджигающих промежутков через них протекает ток 30—60 ма. При таком токе в промежутке происходит тлеющий разряд и падение напряжения на ИПП U3 составляет несколько сотен вольт (ориентировочно 250 в). Одновременно со снижением напряжения на поджигающих промежутках происходит быстрое нарастание напряжения на η комплектах. Скорость нарастания этого напряжения определяется постоянной времени заряда собственных емкостей промежутков. Для того чтобы практически исключить запаздывание в пробое η комплектов, необходимо, чтобы после пробоя ИПП напряжение, прикладываемое к каждому из этих комплектов, превышало его пробивное напряжение при частоте 50 Гц на некоторую величину δU2. Очевидно, что δ должна быть тем больше, чем выше коэффициент импульса силовых промежутков. Для искровых промежутков с вращающейся дугой можно принять δ = 0,1.
Тогда условием пробоя η комплектов явится неравенство:
(1-3)
Соответственно условием пробоя т комплектов будет неравенство:
(1-4)
Зависимости (1-2) — (1-4) отражают три этапа пробоя разрядника.
Эффективность схемы поджига можно оценить безразмерной величиной v/v0 = U2(n+m)/Uпр, характеризующей степень повышения относительной восстанавливающейся прочности разрядника в целом по сравнению с восстанавливающейся прочностью комплекта искровых промежутков.
Тогда из (1-3) и (1-4) получаем соответственно:
(1-5)
(1-6)
Если неравенства (1-5) и (1-6) заменить равенствами и решить их совместно, то получим, что наибольшая величина v/v0 составляет
(1-7)
Пусть δ= 0,1; mU3/Uпр = 0,15 и k = 1. Тогда предельная величина, к которой стремится v/v0, составляет примерно 1,7.
Практически величина k определяется количеством шунтирующих сопротивлений в цепочке, подключенной параллельно комплекту искровых промежутков. В табл. 1-2 приведен ряд значений v/v0 при различных k и отношениях n/m.
Таблица 1-2
Результаты расчета схемы с применением поджигающих искровых промежутков
Из таблицы видно, что заметный выигрыш в восстанавливающейся прочности разрядника v/v0>1,2 получается при k =0,67 и при η/m < 1.
Схема поджига по рис. 1-44 сложнее схемы с неоднородной шунтировкой, однако ее эффективность выше в особенности при относительно высоких значениях восстанавливающейся прочности комплектов искровых промежутков.
Наибольшая величина восстанавливающейся прочности, которая может быть получена в результате применения схемы поджига, составляет 0,93—0,95.
Следует также отметить, что для эффективного использования той и другой схемы необходимо, чтобы коэффициент импульса как поджигающих, так и силовых промежутков был по возможности ближе к единице. При высоком коэффициенте импульса силовых промежутков требуется более высокое напряжение для того, чтобы завершить пробой разрядника после срабатывания поджигающих промежутков или промежутков с линейной шунтировкой (в схеме с неоднородной шунтировкой). Но с повышением пробивного напряжения разрядника теряется эффект от применения описанных схем. Высокий коэффициент импульса поджигающих промежутков повышает разброс пробивного напряжения разрядника. Поэтому во всех его промежутках необходимо иметь эффективную подсветку.
