Защитные свойства вентильного разрядника при воздействии грозовых перенапряжений определяются импульсным пробивным напряжением и остающимся напряжением разрядника.
Импульсное пробивное напряжение разрядника это наибольшая величина импульсного напряжения на разряднике до момента пробоя его искровых промежутков. Оно определяет величину перенапряжения, которое будет воздействовать на защищаемую разрядником изоляцию до момента его срабатывания. В нашей стране импульсное пробивное напряжение нормируют при пробое промежутков разрядника при предразрядном времени от 2 мксек (по ГОСТ 8931—58 от 1,5 мксек) до 20 мксек (по ГОСТ 10257—62 до 10 мксек).
Рис. 3-2. Вольт-секундная характеристика разрядника РВО-6 с U—17,8 квдейств
● — положительная полярность импульса; X — отрицательная полярность
Значения импульсного пробивного напряжения при предразрядных временах менее 1,5—2 и более 20 мксек (по ГОСТ 10257—62 более 10 мксек) измеряются пока только для накопления данных.
У разрядников, не имеющих ШС, импульсное пробивное напряжение уменьшается с увеличением предразрядного времени (рис. 3-2). У разрядников с ШС вольт-секундная характеристика в диапазоне предразрядного времени от долей микросекунды до десятков микросекунд, определенная путем приложения импульсов различной крутизны, имеет в большинстве случаев U-образный вид (см., например, рис. 1-22)1.
Различным характером зависимости импульсного пробивного напряжения от предразрядного времени при наличии или отсутствии ШС обусловливается то, что предельные значения импульсного пробивного напряжения, нормируемые стандартами, у разрядников без шунтирующих сопротивлений имеют место при минимальных предразрядных временах (1,5—2 мксек), у разрядников же с ШС они могут быть как при минимальных (1,5—2 мксек), так и при максимальных (10—20 мксек) предразрядных временах.
1 В [10] высказывается мнение, что наличие глубокого минимума вольт- секундной характеристики у разрядников РВМК, устанавливаемых около шунтирующих реакторов электропередач 500—750 кв, является положительным моментом, гак как срабатывание разрядников при переходных процессах, происходящих при искровом подключении реакторов, расширяет защитную зону разрядников.
При предразрядном времени 0,5 мксек импульсное пробивное напряжение разрядников обычно на 10—20% выше, чем при 1,5 мксек.
Чрезмерно низкие значения импульсного пробивного напряжения разрядников в зоне минимума вольт-секундной характеристики у разрядников с ШС, особенно у разрядников более высокого номинального напряжения, нежелательны, так как они могут приводить к частим срабатываниям разрядников от относительно небольших перенапряжений (см. § 5-3)1.
В связи с этим в большинстве случаев стремятся несколько выровнять вольт-секундную характеристику разрядников с номинальным напряжением 110—150 кВ и выше, что достигается применением экранирующей арматуры, а в некоторых случаях — шунтированием искровых промежутков разрядников не только активными сопротивлениями, но и емкостями, наличие которых выравнивает распределение импульсного напряжения по искровым промежуткам разрядника, так как уменьшает влияние паразитных емкостей на землю (см. § 1-3).
С целью ограничения нижнего предела импульсного пробивного напряжения разрядников предлагается нормировать для разрядников на номинальное напряжение 110 кВ и выше не только верхний, но и нижний предел импульсного пробивного напряжения [78, 98].
Нормируемое импульсное пробивное напряжение разрядников зависит от верхнего предела их пробивного напряжения при промышленной частоте и от коэффициента импульса разрядников. Коэффициент импульса разрядника, в свою очередь, определяется коэффициентом импульса единичных искровых промежутков и степенью неравномерности распределения импульсного напряжения и напряжения частоты 50 Гц по искровым промежуткам разрядника.
В разрядниках, не имеющих ШС или других устройств, изменяющих естественное емкостное распределение напряжения по искровым промежуткам при импульсах и при промышленной частоте, коэффициент импульса разрядника немного выше, чем у единичных искровых промежутков. В разрядниках с ШС распределение напряжения при промышленной частоте выравнивается активными сопротивлениями, а при импульсах остается неравномерным, будучи управляемо естественными емкостями, и коэффициент импульса разрядника оказывается ниже коэффициента импульса единичных промежутков (подробнее об этом в § 1-3). 1
Чем больше при этом число единичных искровых промежутков в разряднике, тем ниже его коэффициент импульса.
Значительно более низкими значениями коэффициента импульса обладают магнитно-вентильные разрядники на номинальные напряжения 3—10 кВ, предназначенные для защиты от перенапряжений изоляции вращающихся электрических машин, имеющей более низкую электрическую прочность, чем у изоляции трансформаторов и электрических аппаратов [90, 92].
Рис. 3-3. Вольт-секундная характеристика разрядника РВМ-6
Отрицательная полярность; U≈15,7 квдейств
Коэффициент импульса разрядников РВМ 6—10 кВ не превышает 0,6 (у опытных разрядников РВТ 3—10 кВ — не выше 0,55), что достигается за счет создания резко неравномерного распределения импульсного напряжения по искровым промежуткам разрядников путем включения параллельно части промежутков и последовательному сопротивлению специальных дополнительных емкостей (рис. 1-24). Вольт-секундная характеристика такого разрядника приведена на рис. 3.3.
При низком коэффициенте импульса разрядника его действительное импульсное пробивное напряжение при присоединении разрядника к рабочему напряжению зависит от значения рабочего напряжения в момент импульсного пробоя разрядника. Так как рабочее напряжение по искровым промежуткам разрядников с ШC распределяется равномерно, а импульсное напряжение — неравномерно, действительное импульсное пробивное напряжение может отличаться от измеренного без приложения к разряднику рабочего напряжения на довольно значительную величину [188].
Оценим величину этой разницы.
Напряжение на верхнем комплекте искровых промежутков, с которого при импульсах начинается пробой разрядника при пробое его импульсным напряжением Uимп в отсутствие на разряднике рабочего (сетевого) напряжения будет
где п — число комплектов промежутков в разряднике, ки — коэффициент импульса разрядника при его пробое импульсным напряжением Uимп без приложения рабочего напряжения.
Напряжение на том же комплекте промежутков при приложении к разряднику рабочего напряжения U0 равно
Напряжение на верхнем комплекте промежутков (принимаем его коэффициент импульса равным единице) при пробое импульсным напряжением Uимп при приложении к разряднику рабочего напряжения станет
Следовательно, пробивное напряжение разрядника при пробое импульсным напряжением с учетом наличия на разряднике рабочего напряжения будет
Полярность рабочего напряжения может либо совпадать, либо не совпадать с полярностью импульсного напряжения. При совпадающей полярности действительное импульсное пробивное напряжение разрядника будет выше, а при несовпадающей полярности — ниже, чем измеренное без приложения к разряднику рабочего напряжения. Поэтому для разрядников с низким коэффициентом импульса целесообразно измерять импульсное пробивное напряжение не только по обычной методике, но также с приложением к ним рабочего напряжения и совпадающей, и не совпадающей с импульсом полярности.
Условия координации характеристик разрядников и изоляции при одновременном воздействии на разрядник и защищаемую им изоляцию импульсного и рабочего напряжения требуют специального изучения.
Отношение импульсного пробивного напряжения разрядника к амплитуде наибольшего допустимого напряжения на нем можно назвать защитным отношением разрядника по импульсному пробивному напряжению. Защитные отношения для разрядников разных типов приведены в табл. 3-3.
Таблица 3-3
Защитные отношения для разрядников разных типов
Тип разрядника | Номинальное | Защитное отношение | ||
по импульсному пробивному напряжению | при импульсном токе амплитудой | |||
РВИ | 3—10 | 3,9—2,8 | 3,0—2,8 |
|
РВС | 15-35 | 2,0—2,2 | 2,3 | 2,5 |
РВС | 110-220 | 1,9-2,0 | 2,4 | 2,6 |
РВМ | 3-10 | 1,4—1,5 | 1,7—1,8 | 1,9-2,0 |
РВМ | 15-35 | 2,0—2,1 | 1,8—1,9 | 2,0-2,1 |
РВА\Г, | 110—500 | 1,7-2,0 | 1,8-1,9 | 2,0-2,1 |
РВМК-П |
| (1,3-1,5) |
| (1,55) |
РВТ | 3—10 | 1,3 | 1.5 | 1,7 |
РВТ | 110-500 | 1,6-1,7 | 1,5 | 1.7 |
Примечания:
1. Разрядники напряжением 110 кВ предназначены для сетей с эффективно заземленной централью.
2. В скобках для разрядников PBMK-I1 даны значения но отношению к амплитуде напряжения гашения при срабатывании от внутренних перенапряжений.
Импульсное пробивное напряжение разрядников является статистической величиной, подчиняющейся нормальному закону распределения. При приложении к разрядникам импульсов напряжения постоянной крутизны были получены среднеквадратичные отклонения от 1,5 до 3% среднего пробивного напряжения.
Строгую оценку импульсного пробивного напряжения следовало бы производить с учетом не только соответствующего значения предразрядного времени, но и вероятности пробоя при том или ином импульсном напряжении или предразрядном времени.
Как было указано в § 3-2, измерения пробивного напряжения разрядников при предразрядных временах в сотни и тысячи микросекунд используются в качестве критерия пробивного напряжения разрядников при воздействии внутренних перенапряжений. Поэтому целесообразно иметь обобщенную характеристику пробивного напряжения разрядника, охватывающую весь диапазон предразрядных времен, который может иметь место при эксплуатации разрядников, т. е. от долей микросекунды до сотых или десятых долей секунды. Такую характеристику следовало бы строить либо для различных вероятностей пробоя, либо для средних значений с указанием зависимости характеристики разброса от предразрядных времен. Получение таких обобщенных характеристик для разных разрядников следует считать задачей ближайшего будущего. Примеры подобных идеализированных обобщенных пробивных характеристик вентильных разрядников даны на рис. 3-4.
Измерение импульсного пробивного напряжения разрядников производится путем приложения к испытуемому разряднику импульсов напряжения различной крутизны, нарастающих по закону, близкому к прямой линии. При этом значения крутизны импульсов выбираются такими, чтобы пробой искровых промежутков разрядника происходил на фронте импульса при нескольких значениях предразрядного времени в пределах от 0,5 до 20 мксек (рис. 3-5), а для разрядников на номинальное напряжение 110 кВ и выше, которые могут использоваться для ограничения не только грозовых, но и коммутационных перенапряжений — при предразрядных временах вплоть до 5000 мксек.
За рубежом импульсное пробивное напряжение разрядников нормируют в большинстве случаев в двух режимах:
Рис. 3-4. Два варианта обобщенной вольт-секунд ной характеристики вентильного разрядника: а — дли различных вероятностей пробоя разрядника; б — построенная по средним и среднеквадратичным отклонениям U пробивного напряжения
а) при пробое на фронте импульса, нарастающего со стандартной крутизной, соответствующей предразрядному времени не более 0,4—0,6 мксек для разрядников с номинальным (наибольшим допустимым) напряжением до 198 кВ, и с крутизной 1200 кВ/мксек для разрядников более высокого напряжения;б) как минимальное значение амплитуды импульса напряжения полной волны 1-1,5/40-50 мксек, обеспечивающее 100%-ную вероятность пробоя искровых промежутков разрядника (допускается не более одного выпадающего результата из 15 импульсов).
По рекомендациям МЭК защитное отношение по импульсному пробивному напряжению при волне 1,2/50 мксек для разрядников с лучшими защитными характеристиками (на номинальный разрядный ток 10 ка) составляет 3,1—2,3 [210].
В последние годы за рубежом стали также определять импульсное пробивное напряжение разрядников более высокого напряжения, снимая вольт-секундную характеристику на нарастающих с различной крутизной импульсах до предразрядных времен 1000—5000 мксек [145, 189].
МЭК, нормируя импульсное пробивное напряжение разрядников в двух указанных выше режимах, рекомендует также дополнительно получать вольт-секундную характеристику в диапазоне предразрядного времени от 0,4—0,6 до 2—3 мксек. Кроме
того, для разрядников с номинальным (наибольшим допустимым) напряжением свыше 100 кВ рекомендуется определять вольт- секундную характеристику при более длинных волнах: с длиной фронта импульса напряжения от 30 до 60, от 150 до 300 и от 1000 до 2000 мксек. Для каждого из указанных импульсов предлагается определять 50%-ное пробивное напряжение испытуемого разрядника, а также измерять импульсное пробивное напряжение при приложении к разряднику импульса с соответствующей длиной фронта и амплитудой на 20 и на 40% более высокой, чем при 50%-ном пробивном напряжении. Соответствующие значения импульсного пробивного напряжения разрядников не нормируются, а даются лишь для информации.
Рис. 3-5. К методике измерения импульсного пробивного напряжения вентильного разрядника
1 — вольт-секундная характеристика разрядника
В [98] также предусмотрено определение минимального импульсного пробивного напряжения разрядников при полной волне 1,5/40 мксек, дающего 100%-ную вероятность пробоя искровых промежутков разрядника.
Испытание некоторых разрядников по такой методике показало, что соответствующие значения импульсного пробивного напряжения при волне 1,5/40 мксек ложатся на вольт-секундную характеристику разрядника, определенную на фронтах импульсов различной крутизны, в зоне предразрядного времени 2,5—3 мксек.
