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, ВАХ которого имеет вид, показанный на рис. 12.2.
Технические требования к РВ переменного тока напряжением от 3 до 500 кВ определены ГОСТ 16357-70. Для пояснения нормированных этим ГОСТ основных электрических характеристик разрядников обратимся к упрощенной диаграмме изменения тока и напряжения на РВ при срабатывании его от грозовых перенапряжений (рис. 12.3). При повышении напряжения до уровня разрядного Uv происходит пробой искровых промежутков и начинает протекать импульсный ток, амплитудному значению которого соответствует так называемое остающееся напряжение разрядника. Помимо пробивных напряжений, импульсного и при частоте 50 Гц, остающегося напряжения, номинального разрядного тока, номинального напряжения РВ к основным электрическим характеристикам относятся также наибольшее допустимое напряжение на РВ или напряжение гашения, т. е. действующее значение наибольшего напряжения на РВ, при котором последний надежно гасит дугу сопровождающего тока, и защитный коэффициент РВ при импульсном токе с данными амплитудой и длиной фронта.
Напряжение гашения определяется режимом работы РВ. Если при грозовых воздействиях произошли одновременно замыкание одной фазы на землю и срабатывание РВ в других фазах, то напряжение на неповрежденных фазах повышается. Поэтому для РВ, работающих в сетях с изолированной нейтралью, напряжение гашения принимается равным
где Uном — номинальное напряжение; 1,1 — коэффициент, учитывающий возможность повышения напряжения за счет регулирования напряжения приемника энергии.
Для РВ, работающих в сетях с глухозаземленной нейтралью, напряжение гашения составляет 0,8 Uном.
Защитный коэффициент РВ, характеризующий эффективность его работы, определяется следующим отношением:
Снижение защитного коэффициента достигается двумя путями: применением нелинейных резисторов с более пологой ВАХ (см. рис. 12.2, кривая 2) и улучшением дугогасящих свойств промежутка. Рассмотрим, как эти принципы реализуются в реальных конструкциях РВ.
Последовательный резистор РВ, как уже указывалось, должен иметь нелинейную ВАХ и обладать способностью многократно пропускать токи, протекающие через него.
Рис. 12.2. Вольт-амперная характеристика нелинейных резисторов вентильного разрядника: 1 — больший (тервит, тирит) и 2 — меньший (вилит) коэффициенты нелинейности
Рис. 12.3. Изменение напряжения на разряднике и тока, протекающего через него, при срабатывании разрядника
В процессе работы при протекании максимального тока грозового перенапряжения сопротивление резистора должно быть минимальным, для того чтобы остающееся напряжение на РВ, в основном определяемое падением напряжения на резисторе, не превышало заданный уровень. При протекании сопровождающих токов нелинейный резистор должен уменьшать сопровождающие токи до значений, при которых искровые промежутки будут надежно гасить дугу сопровождающего тока.
Такими свойствами резкого изменения сопротивления при различных приложенных напряжениях («вентильными» свойствами) обладают материалы на основе карбида кремния. Карбид кремния получается из окиси кремния путем восстановления ее углеродом при температуре порядка 2000—2500 °C. На поверхности зерен карбида кремния об· разуется запорный слой, обусловленный наличием объемного заряда у поверхности кристаллов, а также наличием в ряде случаев пленки окиси кремния. Удельное электрическое сопротивление зерен карбида кремния невелико и определяется технологией изготовления порошка карбида кремния. Удельное электрическое сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от плотности тока и градиента приложенного напряжения.
При малых напряжениях оно на 6— 8 порядков выше удельного сопротивления зерен карбида кремния. В этих условиях все напряжение прикладывается к запорному слою и он определяет сопротивление нелинейного резистора. При повышении напряжения сопротивление запорного слоя резко падает и уже основная масса карбида кремния будет определять сопротивление нелинейного резистора.
Нелинейные последовательные резисторы РВ выполняются в виде дисков различного диаметра (до 130 мм) высотой от 10 до 60 мм. Торцевые плоскости дисков металлизируются алюминием. Боковая поверхность дисков покрывается обмазками, защищающими диски от перекрытия по поверхности.
В качестве связок зерен карбида кремния применяются связки, не требующие высоких температур отжига, например жидкое стекло, или требующие высокотемпературного обжига при температурах свыше 1000 °C. К первой группе материалов относится вилит, ко второй — тервит и тирит. Вилит и тервит применяются для изготовления последовательных резисторов, тирит используется для шунтирующих резисторов.
При высокотемпературном отжиге часть запорных пленок выгорает, что повышает пропускную способность материала, но уменьшает степень нелинейности.
Шунтирующие резисторы имеют форму дужек различной толщины, которые охватывают искровые промежутки. Концы шунтирующих резисторов металлизированы и имеют отверстия для крепления между собой и присоединения к искровым промежуткам.
Статические ВАХ нелинейных резисторов в диапазоне токов от десятков ампер до 10—20 кА в двойном логарифмическом масштабе могут аппроксимироваться двумя отрезками прямых разного наклона с небольшой переходной областью между ними (рис. 12.4). Для каждого отрезка справедливо уравнение U=AIa , где а — коэффициент нелинейности резистора. Коэффициент нелинейности для области малых токов всегда больше коэффициента для области больших токов а2. Значения А и а зависят от материала нелинейного резистора и удельной электрической проводимости его. Для вилита а1= 0,27-0,3, для тервита — 0,35— 0,42. Для вилита коэффициент а2=0,1-0,2, для тервита— 0,15—0,25.
Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения в результате пробоя запорного слоя отдельных зерен карбида кремния. Многократное воздействие импульсов тока приводит к полному пробою резистора, который наступает скорее при увеличении амплитуды и длительности импульса тока.
Рис. 12.4. Вольт-амперная характеристика вилитового диска диаметром 100 и высотой 60 мм в диапазоне токов от 1 до 10 000 А
Рис. 12.5. Единичный искровой промежуток разрядника серии РВП
Поэтому пропускная способность РВ ограничена и характеризуется максимальным значением импульса тока 20/40 мкс или тока прямоугольной формы длительностью 2 мс (в некоторых случаях максимальным значением импульса тока 3/8 мс), который РВ должен без повреждения выдержать 20 раз.
Улучшение дугогасящих свойств искровых промежутков обеспечивается за счет совершенствования их конструкции. По конструктивным признакам искровые промежутки можно разделить на две группы. К первой относятся искровые промежутки, в которых после пробоя дуга остается практически неподвижной и гасится в том же месте, где произошел пробой. Вторая, более многочисленная группа использует магнитное дутье как за счет собственного магнитного поля, организованного соответствующей конфигурацией электродов и их взаимным расположением, так и за счет специальных устройств магнитного дутья, использующих или постоянные магниты, или катушки магнитного дутья, по которым протекает сопровождающий ток.
На рис. 12.5 показан искровой промежуток первого типа. Он образован двумя фасонными штампованными электродами из латуни 1 и изоляционной прокладкой в виде кольца 2 толщиной 0,5—0,6 мм. Материал и толщина электродов выбираются так, чтобы обеспечить нужную жесткость конструкции, с тем чтобы размер зазора между электродами не менялся ни под воздействием механического усилия пружины, прижимающей электроды, ни под воздействием электродинамических сил, возникающих при протекании больших импульсных токов и стремящихся растолкнуть электроды. Толщина электродов также влияет на процессы их нагрева импульсными и сопровождающими токами и на стабильность разрядного напряжения, поэтому она берется не меньше 0,8 мм. Латунь как материал электродов не подвержена коррозии и обеспечивает более быстрое, чем медь, восстановление электрической прочности.
Изоляционные прокладки выполняются из миканита и электрокартона, которые имеют значительную абсолютную диэлектрическую проницаемость. В результате этого на грани касания электродов с изоляционной прокладкой из-за значительной напряженности (тангенциальной составляющей) электрического поля возникают частичные разряды, которые стабилизируют пробивные характеристики искрового промежутка и улучшают его вольт-секундную характеристику. Искровые промежутки такого типа обрывают сопровождающий ток 80—100 А.
Конструкция единичного искрового промежутка с использованием магнитного дутья, создаваемого постоянными магнитами, показана на рис. 12.6. Искровой промежуток образован двумя концентрически расположенными электродами 1 и 2, изолированными прокладками из электрокартона 3 и миканита 4. Активизация искрового промежутка осуществляется за счет ионизации в месте контактирования подсвечивающих электродов 6 с миканитовой прокладкой. Возникающая после пробоя промежутка дуга начинает под действием магнитного поля постоянного магнита 5 вращаться с большой скоростью по кольцевой щели, интенсивно охлаждаясь. При обрыве дуги в промежутке восстанавливающаяся прочность нарастает значительно быстрее, чем в промежутке с неподвижной дугой, так как в первом случае температура электродов после перехода тока через пуль существенно ниже, чем во втором, и процессы термоэлектронной эмиссии электронов затруднены. Искровой промежуток с вращающейся дугой может гасить сопровождающие токи 250—300 А, что позволяет уменьшить число дисков нелинейных резисторов и, следовательно, уменьшить остающееся напряжение. Для РВ с простейшими искровыми промежутками защитный коэффициент при импульсном токе с амплитудой 5000 А лежит в пределах 2,25—2,4, для РВ с магнитным гашением дуги он равен 1,7—2,0.
Дальнейшее снижение защитного коэффициента достигается применением токоограничивающих искровых промежутков (рис. 12.7), в которых дуга сопровождающего тока с помощью магнитного дутья вводится в узкую щель дугогасительной камеры и значительно растягивается. Два электрода 1 располагаются между стенками ДУ 2 в магнитном поле NS, созданном согласно включенными катушками магнитного дутья или разноименными полюсами постоянных магнитов. Возникающая сила Р заставляет дугу перемещаться по электродам, втягиваться в узкую щель δ, где напряжение на дуге достигает 800—1600 В, и растягиваться; сопротивление дуги значительно возрастает и создает эффект ограничения сопровождающего тока.
Рис. 12.6. Конструкция единичного искрового промежутка с вращающейся дугой
Возможный процесс изменения тока и напряжения на искровом промежутке показан на рис. 12.8.
Рис. 12.7. Искровой промежуток с растягивающейся дугой
Рис. 12.8. Процесс изменения тока и напряжения на искровом промежутке при срабатывании разрядника.
При воздействии волны перенапряжений и2, имеющей, например, противоположную полярность относительно ЭДС сети и2, происходит пробой промежутка и протекание импульсного тока. После перехода импульсного тока через нуль и повторного зажигания образуется дуга сопровождающего тока i2 и на искровом промежутке создается падение напряжения и3. После перехода сопровождающего тока через нуль начинается процесс восстановления напряжения на промежутке, и если кривая роста электрической прочности лежит выше кривой восстанавливающегося напряжения, промежуток больше не пробивается. При наличии эффекта токоограничения за счет активного сопротивления дуги сдвиг фаз между током и напряжением промышленной частоты уменьшается и облегчаются условия восстановления напряжения. Равномерность распределения напряжения по последовательно соединенным искровым промежуткам в процессе гашения сопровождающего тока достигается применением шунтирующих резисторов с большим сопротивлением.
В настоящее время в отечественных электроустановках 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: I —серии РВТ и РВРД; II —серии РВМ, III — серии РВС; IV — серии РВП. Наилучшими свойствами обладают РВ I группы, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения, наихудшими — IV группы.
Рис. 12.9. Вентильный разрядник РВП 6
Рис. 12.10. Вентильный разрядник РВС-15
Серия разрядников РВП выпускается на напряжения 3, 6 и 10 кВ.
На рис. 12.9 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. Вилитовые диски разрядников последнего выпуска имеют диаметр 55 и высоту 20, 40 и 60 мм, металлизированы по плоскостям соприкосновения и покрыты по боковым поверхностям изолирующей обмазкой. Искровые промежутки собраны внутри изоляционного цилиндра 5.
Рис. 12.11. Схема соединения рабочих элементов разрядников серии РВМК
Рис. 12.12. Принципиальная электрическая схема разрядников РВТ 3—10 кВ
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 12, к заземляющей шине — шпилькой 13.
В РВ серии РВС, которая выпускается в виде пяти стандартных элементов на 15, 20, 30, 33 и 35 кВ, комплектуемых последовательно на нужный 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. 12.10. 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. Блоки искровых промежутков собраны в изоляционных цилиндрах и шунтированы резисторами из тирита.
Магнитно-вентильные разрядники на напряжение 3— 35 кВ составляют серию РВМ, а на напряжение 110— 750 кВ — серию РВМГ.
Разрядники серии РВМ на напряжение 3—10 кВ предназначены для защиты вращающихся машин, имеющих более низкую импульсную прочность изоляции, поэтому эти РВ имеют низкий коэффициент импульса (0,6—0,65) для предразрядных времен, соответствующих грозовым перенапряжениям. С этой целью создаются условия неравномерного распределения импульсных напряжений по искровым промежуткам путем шунтирования искровых промежутков первой и второй групп (считая от земли) конденсаторами. Элементами, характеризующими эту серию, являются последовательные резисторы из вилитовых дисков диаметром 130 и высотой 50 и 60 мм, искровые промежутки с вращающейся дугой (см. рис. 12.6), шунтирующие резисторы полукольцевой формы.
Разрядники серии РВМГ на высокие классы напряжений выполняются на основе стандартного элемента РВМГ-33. В качестве нелинейного материала используется тервит.
Разрядники серии РВМК предназначены для защиты электроустановок от грозовых и внутренних перенапряжений, поэтому они называются комбинированными. Они разработаны на напряжение до 1150 кВ. В РВ этой серии применены искровые промежутки с магнитным гашением дуги и нелинейные резисторы на основе тервита.
Из-за высокого коэффициента нелинейности тервита при протекании импульсных токов грозовых перенапряжений остающееся напряжение достигает значений, неприемлемых с точки зрения защиты изоляции, в то время как режим внутренних перенапряжений, характерный меньшими амплитудами токов, но большими их длительностями, является более соответствующим этому материалу нелинейных резисторов. Ограничение остающегося напряжения при грозовых перенапряжениях в РВ этой серии достигается схемным путем. Электрическая схема соединения рабочих элементов такого РВ показана на рис. 12.11. При срабатывании РВ от внутренних перенапряжений пробиваются искровые промежутки основных элементов 2. Гашение дуги сопровождающего тока, ограниченного основными 2 и вентильными 1 элементами, происходит при напряжении до 1,6 UФ.
При срабатывании РВ от грозовых перенапряжений сначала пробиваются искровые промежутки основных элементов 2 и ток проходит через элементы 2 и 1. Как только амплитуда нарастающего импульса тока достигнет примерно 2000 А, падение напряжения на элементах 1 вызовет пробой искровых элементов 3, резисторы элементов 1 шунтируются и напряжение на РВ снижается.
Модификацией этой серии являются РВ с повышенным напряжением гашения, которое достигается увеличением количества единичных искровых промежутков. Для того чтобы при этом одновременно не увеличивалось разрядное напряжение РВ, применяются специальные поджигающие искровые промежутки.
Разрядники серии РВТ разработаны на напряжения 3— 10 и 110—500 кВ. В них применены токоограничивающие искровые промежутки с узкощелевой камерой (см. рис. 12.7) и нелинейные тервитовые резисторы.
Электрическая схема РВТ на 3—10 кВ показана на рис. 12.12. Искровые промежутки с растягивающейся дугой ИП соединены последовательно с катушками магнитного дутья КМ. При пробое ИП и протекании импульсов тока с большой скоростью их изменения на зажимах катушек могут возникать повышенные напряжения. Для защиты изоляции катушек от повышенных напряжений параллельно им включаются обходные искровые промежутки ОИП. Шунтирующие резисторы Rш обеспечивают равномерное распределение напряжения промышленной частоты по искровым промежуткам. Конденсаторы С служат для создания резко неравномерного распределения импульсного разрядного напряжения по искровым промежуткам, что снижает коэффициент импульса.
После обрыва импульсного тока и гашения дуги сопровождающего тока в ОИП сопровождающий ток промышленной частоты начинает протекать через катушки КМ, создающие магнитное поле, под действием которого в узкой щели ДУ происходит гашение дуги сопровождающего тока.
В разрядниках серии РВРД вместо катушек магнитного дутья используются постоянные магниты на основе бариевых ферритов. Это повышает эффективность гашения дуги, поэтому напряжение гашения у РВ этой серии примерно на 25 % выше, чем у разрядников серии РВТ. В РВ для сетей постоянного тока используются также нелинейные резисторы. Вследствие того что дугу с сопровождающим током погасить трудно, применяются искровые промежутки с магнитным дугогашением.
