Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений - Конструкции  длинно-искровых разрядников РДИ 10-М

РДИ 10-М (модульный)
РДИ 10-М состоит из двух отрезков кабеля с корделем, выполненным из полупроводящего материала. Отрезки кабеля сложены между собой так, что образуются три разрядных модуля 1, 2, 3 (см. рис. 6.8,а,б).
Отрезки полупроводящего корделя подсоединяются к металлическим оконцевателям через внутренние искровые промежутки И1, И2, И3, И4. При воздействии импульса грозового перенапряжения они перекрываются и полупроводящий кордель верхнего отрезка кабеля, имеющий сопротивление R, выносит высокий потенциал U на поверхность нижнего отрезка кабеля в его средней части. Аналогично, полупроводящий кордель нижнего отрезка кабеля, имеющий также сопротивление R, выносит низкий потенциал 0 на поверхность верхнего отрезка кабеля в его средней части.
Таким образом, к каждому разрядному модулю одновременно приложено полное напряжение U и для всех трёх разрядных модулей 1, 2, 3 созданы условия для одновременного начала развития скользящих разрядов, которые, при перекрытии соответствующих модулей, создают единый длинный канал перекрытия.

Рис. 6.8. РДИ10-М для защиты ВЛ 10 кВ:
а) конструктивный эскиз; б) принципиальная схема;
в) фотография испытаний

Как показали испытания, вследствие разной скорости развития каналов перекрытия при воздействии импульса грозового перенапряжения на провод ВЛ сначала происходит перекрытие модулей 1 и 3, а затем и модуля 2. В результате образуется весьма длинный канал перекрытия вдоль поверхности РДИ.
Исследованы вольт-секундные характеристики (ВСХ) РДИ10-П с длиной перекрытия 0,8 м, РДИ10-М с общими длинами перекрытия 0,8 и 2,0 м (разрядники маркируются как РДИ10-М0,8 и РДИ10-М2,0 соответственно), а также вольт-секундные характеристики наиболее распространённых изоляторов ШФ10-Г и ШФ20-Г.
ВСХ исследованных разрядников и изоляторов хорошо аппроксимируются степенными функциями вида
(6.9) где U - разрядное напряжение, кВ; t - предразрядное время, мкс; γ и δ - эмпирические коэффициенты. Значения коэффициентов γ и δ приведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2 Коэффициенты γ и δ функций вида U=γt, аппроксимирующих экспериментальные вольт-секундные характеристики изоляторов и разрядников (0,2 мкс< t <2 мкс)

На рис. 6.9 сопоставлены вольт-секундные характеристики петлевого и модульного разрядников. Из рис. 6.9 видно, что при той же общей длине разряда, что и у петлевого разрядника, l=80 см, вольт-секундная характеристика РДИ10-М0,8 лежит значительно ниже, т. е. эффективность защиты разрядника модульного типа выше, чем петлевого разрядника.
Следует отметить также, что условия работы твёрдой изоляции в отношении её пробоя в РДИ модульного типа легче, чем в петлевом разряднике.  В длинно-искровых разрядниках со скользящим разрядом при воздействии на них грозового импульса напряжение приложено к твёрдой изоляции до тех пор, пока разрядный модуль не будет шунтирован проводящим каналом перекрытия. В случае РДИ петлевого типа имеется всего один разрядный модуль длиной, например, 80 см. Таким образом, пока канал скользящего разряда не пройдёт по поверхности разрядника 80 см и электрически не зашунтирует твёрдую изоляцию разрядника, на неё воздействует всё напряжение, приложенное к зажимам разрядника.

Рис. 6.9. Вольт-секундные характеристики длинно-искровых разрядников с l=80 см при положительной полярности воздействующего импульса. 1-РДИ10-П; 2-РДИ10-М0,8

РДИ модульного типа состоит из трёх модулей (см. рис. 6.8). В случае РДИ10-М0,8 каждый модуль имеет длину, примерно 26-27 см, т. е. в три раза меньше, чем у РДИ петлевого типа. Соответственно, и время воздействия, и величина напряжения, воздействующего на твёрдую изоляцию разрядника, оказываются существенно меньше. Поэтому устойчивость к пробою твёрдой изоляции у РДИ модульного типа выше, чем у РДИ петлевого типа.
На рис. 6.10 сопоставлены вольт-секундные характеристики РДИ 10-М0,8 и изолятора ШФ10-Г. Вольт-секундная характеристика (ВСХ) РДИ 10-М0,8 лежит ниже, чем ВСХ изолятора во всём обследованном диапазоне предразрядных времён 0,3-2 мкс. Однако при весьма крутом нарастании напряжения возможно произойдёт перекрытие изолятора прежде, чем сработает разрядник. Наибольшее напряжение при стандартной форме импульса 1,2/50 мкс, при котором обеспечивается защита разрядником изолятора, в дальнейшем называется «напряжением координации». Напряжение координации РДИ10-М0,8 с изолятором ШФ10-Г кВ составляет более 500 кВ, как при положительной, так и при отрицательной полярности импульса. При загрязнении и увлажнении поверхности разрядника напряжение координации несколько снижается, однако остаётся достаточно высоким. Так при удельной поверхностной проводимости 15 мкСим напряжение координации составило Uкорд= 480 кВ; Uкорд = 360 кВ при положительной и отрицательной полярности импульсов соответственно.
РДИ10-М0,8 испытан также на координацию с изолятором ШФ20-Г. Испытания проводились при подаче напряжения от генератора импульсных напряжений через шаровой разрядник, что дало возможность получить крутизну фронта испытательного импульса примерно 2000 кВ/мкс. Испытания показали, что РДИ10-М0,8 успешно защищает изолятор ШФ20-Г от перекрытий при воздействии указанного крутого импульса напряжения, который может появиться при прямом ударе молнии в провод.
РДИ10-М0,8 испытан также напряжением промышленной частоты 50 Гц и импульсами коммутационных перенапряжений.

Рис. 6.10. Вольт-секундные характеристики изолятора ШФ10-Г и длинно-искрового разрядника РДИ10-М0,8:
а) положительная полярность; б) отрицательная полярность

При плавном подъёме напряжения промышленной частоты на чистом и сухом разряднике при напряжении 32 кВ появляются скользящие разряды по его поверхности, и при напряжении 47 кВ перекрывается один из модулей разрядника. Под дождём перекрытие одного из модулей происходит при напряжении 30 кВ.
В случае загрязнённой поверхности разрядника с удельной поверхностной проводимостью 15 мкСим один из модулей разрядника перекрывается при 18 кВ.
Из приведённых данных видно, что как в чистом, так и в загрязнённом состоянии нет угрозы перекрытия РДИ10-М0,8 при рабочем напряжении.
При воздействии коммутационных импульсов 3000/6000 мкс скользящие разряды по поверхности разрядника начинаются при амплитуде импульса 35 кВ, а перекрытие одного из модулей происходит при амплитуде импульса 70 кВ. Амплитуды коммутационных перенапряжения на ВЛ 10 кВ значительно ниже 70 кВ. Следовательно РДИ10-М0,8 не будет перекрываться при коммутационных перенапряжениях на линии.
Основные технические характеристики разрядника РДИ10-М0,8 приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3
Основные технические характеристики РДИ 10-М0,8

РДИ 10-ИТ (изоляционная трубка)
Принцип действия разрядника в виде изоляционной трубки, установленной на провод в зоне крепления провода к изолятору, поясняется рис. 6.11.

Рис. 6.11. РДИ в виде изоляционной трубки на проводе:
а) конструктивный эскиз;
б) фотография испытаний.
1 - провод, 2 - изоляционная трубка, 3 - металлическая трубка,
4 - изолятор, 5 - опора, 6 - канал грозового перекрытия

При перенапряжении сначала перекрывается изолятор 4, а затем происходит скользящий разряд 6 по поверхности изоляционной трубки 2. По каналу 6 ток грозового перенапряжения стекает на землю. За счёт весьма большой длины разряда грозовое перекрытие не переходит в силовую дугу промышленной частоты, и линия продолжает бесперебойную работу без отключения.
Изоляционная трубка должна быть выполнена из материала, стойкого к атмосферным воздействиям (например из трекингостойкого, светостабилизированного полиэтилена), и должна иметь необходимую импульсную прочность.
При массовой установке любых аппаратов параллельно изоляторам линии, например трубчатых разрядников, ОПН или любых других устройств, неизбежно снижается надёжность работы линии в рабочем режиме вследствие возможных отказов устанавливаемых устройств.

Установка разрядников в виде изоляционных трубок на провода ВЛ не только не снижает, а наоборот, за счёт усиления основной изоляции увеличивает надёжность работы линии в рабочем режиме и при всех остальных электрических воздействиях.

При соответствующей толщине стенки изоляционной трубки она способна длительно выдерживать все рабочее напряжение и все коммутационные и квазистационарные перенапряжения. По существу, обеспечивается двойное резервирование основной изоляции линии, и таким образом устраняются все электрические причины, указанные в разделе 1.2, вызывающие отключение ВЛ 6-10 кВ.
РДИ10-ИТ предназначен для защиты ВЛ, как от индуктированных перенапряжений, так и от прямых ударов молнии. Поэтому изоляция трубки должна обладать необходимой высокой импульсной прочностью при воздействии перенапряжений вследствие прямого удара молнии в провод.
Конструкция трубки аналогична конструкции, показанной на рис. 6.6. Внутренний диаметр трубки должен быть примерно на 2 мм больше диаметра провода. Таким образом, между внутренней поверхностью трубки и проводом обеспечен воздушный зазор величиной 1 мм, что даёт возможность свободно перемещать трубку вдоль провода в процессе монтажа трубок на ВЛ (см. раздел 6.3.2). Для защиты от механических повреждений при перемещении трубки вдоль неизолированного провода используется металлорукав 1. В случае установки трубок на изолированные провода металлорукав не нужен.
Внутренний слой трубки 2 выполнен из полупроводящего полиэтилена. Его толщина составляет 1,5 мм, что обеспечивает устранение влияния неровностей на поверхности провода на электрическую прочность основной изоляции трубки 3. Необходимая толщина основной изоляции 3 зависит от длины пути перекрытия по поверхности трубки, т. е. при воздействии импульса грозового перенапряжения всегда должно обеспечиваться перекрытие по поверхности трубки и исключаться пробой её твёрдой изоляции. Чем длиннее трубка, тем толще должна быть её изоляция. Оболочка трубки 4 выполняется из трекингостойкого, светостабилизированного полиэтилена.
Испытания трубок из полиэтилена высокого давления импульсами напряжения с крутизной 2000 кВ/мкс по схеме рис. 6.2 показали, что при длине перекрытия по плечу трубки 0,8 м достаточна толщина изоляции 4 мм, а при длине плеча трубки 1,3 м (см. раздел 6.3.2) достаточна толщина 9 мм.
Полученные результаты согласуются с результатами работы [95], где при толщине стенки трубки 9 мм из этилен-пропиленовой резины не наблюдалось пробоев трубки, а обеспечивался скользящий разряд по её поверхности длиной 0,75 м, при величине приложенного импульсного напряжения вплоть до 6,2 МВ.
При монтаже анкерного пролёта от бобины с проводом отматывается конец провода необходимой длины, на него последовательно надеваются изоляционные трубки по числу опор в анкерном пролёте. Далее проводится раскладка провода по длине анкерного пролёта и передвижение трубок по проводу таким образом, чтобы изоляционные трубки располагались напротив соответствующих опор. Затем производится подъём провода с трубками на опору и крепление проводов с трубками путем обвязки металлической проволокой так же, как это делается в случае крепления обычных проводов.
Отметим, что в Японии, где в настоящее время массово устанавливаются ОПН для грозозащиты ВЛ 6,6 кВ с изолированными проводами, также активно ведутся работы по применению для этой же цели изоляционных трубок [94, 95].