Трубчатые и вентильные разрядники

Волны перенапряжений, возникающие на линиях при ударах молнии или различных коммутациях, доходят до подстанций и могут представлять опасность для установленного там оборудования. Такой же опасности могут подвергаться отдельные места на линиях, имеющие ослабленную изоляцию или особенно ответственные участки (транспозиционные опоры, переходы через транспортные магистрали, пролеты пересечений, населенные пункты и т. д.). Устройства, обеспечивающие защиту изоляции от перенапряжений, называются разрядниками.

Непременным элементом разрядника является искровой промежуток (ИСГ), отделяющий провод высокого напряжения от заземления. Приходящая волна перенапряжения вызывает срабатывание ИП, который срезает волну. В функцию разрядника входит не только ограничение амплитуды перенапряжения, но и гашение дуги сопровождающего тока промышленной частоты, проходящего через ИП вслед за импульсным пробоем. Последние подразделяются на вентильные и трубчатые. Иногда взамен разрядников применяются защитные искровые промежутки (ПЗ) без дугогашения сопровождающего тока (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 — Защитный промежуток для сетей с номинальным напряжением до 10 кВ Из-за простоты и дешевизны ПЗ нашли широкое применение в схемах защиты от перенапряжений. По конструктивным соображениям ПЗ выполняются стержневыми электродами и обладают резконеоднородным полем, для которого характерно значительное возрастание разрядного напряжения при малых временах. Не всегда удаётся осуществить координацию вольт-секундных характеристик изоляции и защитных промежутков во всем диапазоне времен и изоляция при малых временах оказывается незащищенной (рисунок 1.2 кривая 3). В связи с тем, что импульсный пробой ПЗ переходит в устойчивую дугу сопровождающего тока, их рекомендуется устанавливать лишь на участках, оборудованных автоматами повторного включения (АПВ).

Электродам ПЗ для установок 3…10 кВ целесообразно придавать форму рогов. Под действием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха дуга перемещается и гаснет.

Стабилизированные искровые промежутки (СПЗ) имеют малый разброс разрядных напряжений и более пологую ВСХ (рисунок 1.3). Распределение напряжения по промежуткам П1, П2, П3 регулируется емкостями. Параллельно П3 подключен вспомогательный стабилизированный искровой промежуток Р через резистор R с небольшим сопротивлением. Этот промежуток может быть, например, того типа, который применяется в вентильных разрядниках. Точка «а» приобретает почти нулевой потенциал после пробоя промежутка Р с малым запаздыванием.

Рисунок 1.3 — Схема соединения защитных искровых промежутков Затем последовательно срабатывают промежутки П1 и П2 и напряжение волны падает на резистор R. Потенциал точки «а» возрастает до значения, достаточного, для пробоя П3. Таким образом, срабатывание СПЗ не приводит к обтекают P сопровождавшим током рабочей частоты, оплавляющим электроды.

Трубчатые разрядники (РТ) предназначаются для защиты линейной изоляции и служат вспомогательная элементом в схемах защиты подстанций (рисунок 1.4). В трубке из газогенерирующего материала 1 заключен внутренний промежуток S1, образованный стержнем 2 и кольцевым электродом. Трубку отделяет от высокого напряжения внешний искровой промежуток S2, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки. При приходе волны перенапряжения оба промежутка пробиваются и импульсный ток отводится в землю. После окончания импульса через разрядник продолжает проходить сопровождающий ток и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры стенки трубки генерируют газы, что ведет к охлаждению и деионизации дуги в S1. Давление в трубке возрастает в десятки раз и газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутьё. В результате дуга гасится при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается световым и звуковым эффектами. Для успешного гашения дуги сопровождающего тока необходимо интенсивное генерирование газа, которое зависит от величины проходящего тока. В связи с этим имеется нижний предел токов, которые надежно за один-два периода (50 Гц) отключаются разрядником. Верхний предел токов устанавливается из условий прочности трубки РТ.

Рисунок 1.4 -. Схема устройства трубчатого разрядника В настоящее время промышленность выпускает разрядники с фибробакелитовыми трубками (PTФ) и с трубками на винипласта (РТВ и РТВУ) на напряжения от 3 до 220 кВ.

Основные недостатки трубчатых разрядников — нестабильные характеристики, наличие зоны выхлопа газов и крутая ВСХ — исключают их применение в качестве основного аппарата защиты подстанций. Простота и дешевизна конструкций РТ обеспечили применение их в качестве вспомогательного средства защиты подстанций и для защиты неответственных участков линий и подстанций.

В маркировке РТ указываются номинальное напряжение и пределы отключаемых токов (РТВУ 220/2 — 10 — разрядник трубчатый винипластовый усиленный на 220 кВ с пределах действующих отключаемых токов 2???10 кА) [3,C.152].

Вентильные разрядники (РВ) предназначается для защиты подстанционной изоляции. Основными элементами РВ являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резис межуток срезает волну перенапряжения. Протекающий вслед за пробоем ИП (при uпр) импульсный ток порядка 5…10 кА создает на резисторе подъём напряжения uост, которое воздействует на изоляцию и должно быть на 20…25% ниже импульсной прочности изоляции. После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением (50 Гц). Сопротивление нелинейного резистора резко возрастает при рабочих напряжениях, что приводит к уменьшение сопровождающего тока. При переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет. Рабочее напряжение на разряднике в момент гашения сопровождающего тока является исходным для расчётов.

где Uном — наибольшее рабочее фазное напряжение ;

К3 — коэффициент сети, зависящий от эффективности заземления нейтрали сети (в пределах 0,8…1,1). Эффективность действия разрядника характеризуется защитными отношениями.

где ?- пробивное напряжение искрового промежутка при 50 Гц.

Как видно из ВАХ резистора, приведенной на рисунке 1.5, увеличение нелинейности уменьшает uост и снижает Кзащ.

Рисунок 1.5 — Принцип действия вентильного разрядника и ВАХ нелинейного резистора Требования к характеристикам вентильных разрядников устанавливает ГОСТ 16 357–70, по которому они разделены на четыре группы. Наилучшими защитными свойствами обладают разрядники I группы, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения (серия РВТ и РВРД); II группа (серия РВМ); III группа (серия РВС) и IV группа (серия РВП).

На напряжение 3; 6 и 10 кВ наиболее широко применяются стандартные элементы серии РВП и РВМ. В других сериях (РВС, РВМГ — и др.) на высшие классы напряжения разрядники комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения 15; 20 и 35 кВ. Для удобства комплектовки введён также элемент на 33 кВ. Размещение дисков нелинейного резистора и комплектов ИП в разряднике типа РВС — 20 показано на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 — Размещение искровых промежутков и дисков в разряднике РВС-20:

• 1 — стандартный комплект искровых промежутков;
• 2 — блок нелинейных резисторов

Нелинейные резисторы собираются из вилитовых дисков диаметром 100 мм и высотой 60 и 20 мм, которые соединяются в блоки с помощью керамической обмазки. Контакт между дисками и блоками осуществляется посредством металлизации поверхностей дисков. Комплекты ИП и вилитовых дисков помещаются в герметизированных фарфоровых чехлах.

Расшифровка маркировки разрядников следующая: РВС — 110 — разрядник вентильный станционный на 110 кВ; РВМ — -«- магнитный; РВП — -«- подстанционный; РВС облегченной конструкции; РВМГ — магнитный грозовой РВТ токоограничивающий;РВМКП магнитный комбинированный с повышенным напряжением гашения при коммутационных перенапряжениях.

Практическая необходимость снижения уровня изоляции оборудования с ростом класса напряжения требует более глубокого ограничения перенапряжений. В то же время применяемые в настоящее время в эксплуатации, вентильные разрядники с резисторами на основе карбида кремния вследствие недостаточной нелинейности материала не позволяют обеспечить уровень перенапряжений ниже 2Uф. Более глубокое их снижение требует уменьшения нелинейного последовательного сопротивления, что приводит к существенному увеличению сопровождающих токов. Искровые промежутки не в состоянии погасить большие токи. Включение нелинейных сопротивлении под рабочее напряжение без искровых промежутков оказывается невозможным вследствие большого тока через нелинейное сопротивление при фазном напряжении. Применение искровых промежутков вызывает дополнительные трудности, связанные с необходимостью уменьшения сопровождающего тока до величины, надежно отключаемой промежутками, а также получения пологой вольтсекундной характеристики; разрядника.

Значительное улучшение защитных характеристик разрядников, может быть достигнуто при отказе от использования искровых промежутков. Это оказывается возможным при переходе к резисторам с резко нелинейной вольтамперной характеристикой и достаточной пропускной способностью.