Вентильные разрядники высокого напряжения - Расчет последовательного сопротивления и искровых промежутков комбинированных разрядников

Исходными параметрами для расчета комбинированных разрядников являются наибольшие допустимые напряжения на разряднике и соответственно в грозовом и коммутационном режимах; пробивное напряжение разрядника при частоте 50 Гц. Unp, остающееся напряжение на разряднике при импульсном токе 10 κα; нормированный ток коммутационного перенапряжения на волне; остающееся напряжение на разряднике при этом токе U; напряжение переключения из грозового режима в коммутационный U, и пропускная способность разрядника на волне 3/8 мсек, характеризуемая током.

При выборе материала последовательного сопротивления и типа искровых промежутков комбинированных разрядников необходимо в первую очередь учитывать требование к пропускной способности разрядника. Этому требованию в большей степени соответствуют материал типа тервит и искровые промежутки с вращающейся дугой. Следует отметить, что для защитных свойств разрядника в коммутационном режиме изменение коэффициента нелинейности последовательного сопротивления в известных пределах не имеет большого значения.
Для расчета параметров последовательного сопротивления необходимо установить некоторые соотношения, характерные для комбинированных вентильных разрядников. Пусть последовательное сопротивление состоит из п параллельных дисков со следующими характеристиками: Ем— максимальный градиент напряжения, при котором диск характеризуется нормированным током пропускной способности Iп; определяется при этом токе; Еср (Iп) — средний градиент на диске, связан с максимальным градиентом зависимостью (4-3); Е (10/п) — средний градиент на диске при токе 10/д ка; α1 и α2 — показатели нелинейности тервитового диска в области малых и больших токов.
Защитный коэффициент диска в комбинированных разрядниках k3 будем определять как отношение
(4-11)
Следует отметить, что градиент напряжения Еср (Iп) характеризует остающееся напряжение на дисках при коротких импульсных токах длительностью 10—20 мсек. Если же через тервитовых диск протекает ток с амплитудой /п в течение 0,01 сек, то вследствие нагревания диска градиент напряжения на нем составитКоэффициент зависит от плотности тока в диске. Для дисков диаметром 70 мм k9=1,065 при токе 500 а и k9 = 1,03 при токе 350 а.
Назовем грозовым режим работы разрядника после шунтирования в нем вентильных элементов. В этом режиме остающееся напряжение при токе  длительностью 0,01 сек с учетом (4-11) составит:
(4-12)
Ток Iп связан с сопровождающим током разрядника в грозовом режиме соотношением:
(4-13)
Из (4-13) и (4-12) получаем:
(4-14)

Сопровождающийся ток Iс должен удовлетворять требованию (4-2), т. е.

(4-15)
Из последнего выражения получаем
(4-16)
Таким образом, тервитовые диски в комбинированных разрядниках должны удовлетворять двум условиям. Пропускная способность дисков с наибольшим градиентом Ем (Iп) должна быть не ниже нормированной для разрядника, а защитное отношение диска при среднем градиенте Еср (Iп) должно удовлетворять требованию (4-16). Дальнейший расчет ведется по методике, изложенной выше для последовательного сопротивления грозовых разрядников.
Высоту колонки дисков грозовой части разрядника Нг и разрядника в целом Нк вычисляют по формулам:

(4-17)
(4-18)
Напряжение на вентильных элементах разрядника при нормированном токе Iк будет
(4-19)
Обозначим через k отношение, которое нам потребуется в дальнейшем:

(4-20)
Габариты искровых промежутков разрядника следует выбирать в зависимости от тока пропускной способности. Если этот ток при длительности 0,01 сек не превышает 1,5—2 ка, в разряднике может быть применен искровой промежуток с вращающейся дугой с рабочим диаметром внутреннего электрода не более 40 мм. При больших токах следует применять промежуток большего габарита (например, с рабочим диаметром 65 мм). Для того чтобы единичный промежуток имел наибольшую восстанавливающуюся прочность, его пробивное напряжение следует принимать минимально возможным для данной конструкции промежутка, т. е. 2,5 квдейств ± 5%. Определив экспериментально или расчетным путем восстанавливающуюся прочность единичного промежутка v0, проверяют, достаточна ли она для обеспечения нормируемой восстанавливающейся прочности разрядника.

Если недостаточна, то вычисляют необходимый коэффициент повышения прочности разрядника k6 (это повышение может быть достигнуто, например, применением схемы поджига) по формуле:
(4-21)
Число единичных искровых промежутков в основной части разрядника п и их высота определяются по формулам (4-9) и (4-10).
Расчет комбинированного разрядника включает в себя также расчет искровых элементов разрядника. При установлении пробивного напряжения искровых элементов следует руководствоваться следующими соображениями: оно должно быть достаточно высоким, чтобы элементы не сработали в момент пробоя разрядника от коммутационного перенапряжения и тогда, когда ток достигнет максимальной величины. Оно должно быть не слишком высоким, чтобы при грозовых перенапряжениях в момент шунтирования вентильной части напряжение на разряднике оставалось на приемлемом уровне.
При пробое разрядника от коммутационного перенапряжения возникает переходной процесс разряда емкости аппаратов подстанции и ЛЭП через разрядник [23]. Переходной процесс приводит к появлению импульса крутого фронта на вентильных и искровых элементах разрядника. Расчеты показывают, что на вентильных элементах возникает апериодическая волна напряжения с длиной фронта, изменяющейся в зависимости от схемы подстанции от 0,3 до 2 мксек. Чтобы практически исключить (с вероятностью более 99%) срабатывание искровых элементов в момент пробоя разрядника от коммутационного перенапряжения, среднее импульсное пробивное напряжение искровой части разрядника ии.и должно удовлетворять неравенству:
(4-22)
где σр и σи — коэффициенты вариации разброса пробивных напряжений разрядника в целом его и искровой части.
Чтобы исключить (с вероятностью более 99 %) срабатывание искровой части в момент достижения максимума коммутационного тока, протекающего через разрядник, среднее пробивное напряжение при коммутационных волнах (или частоте 50 Гц) искровой части разрядника Uик должно удовлетворять неравенству:
(4-23)
Поскольку для комбинированных разрядников остающееся напряжение при нормированном токе коммутационного перенапряжения обычно совпадает с верхним пределом пробивного напряжения разрядника при частоте 50 Гц, то (4-22) и (4-23) дают примерно одинаковые значения для импульсного пробивного напряжения элементов и пробивного напряжения при частоте 50 Гц.

При грозовых перенапряжениях в момент шунтирования вентильных элементов напряжениена разряднике
(4-24)
Если импульсное пробивное напряжение искровой части выбрано минимально возможным из условия (4-22), то
(4-25)
Таким образом, защитные характеристики комбинированного разрядника в грозовом режиме связаны зависимостью (4-25) с защитными характеристиками разрядника в коммутационном режиме. Полагая σΗ≈5%, получаем, что средняя величина напряжения на разряднике в момент шунтирования вентильных элементов по крайней мере на 10% превышает защитный уровень разрядника в коммутационном режиме.
В рационально сконструированном разряднике коэффициент импульса искровых элементов должен быть близким к единице. С этой целью в искровых элементах разрядника рекомендуется применять емкостно-омическую шунтировку. Исследования показали, что продольная емкость 200—400 пф на блок из четырех единичных промежутков достаточна для получения коэффициента импульса искровых промежутков, близкого к единице.