Характеристики вентильных разрядников

Цель семестровой работы является исследование и доказательство актуальности применения разрядников в производстве.

Среди проблем, связанных с тем, что на зажимах оборудования электроустановок при коммутациях электрических цепей, разрядах молнии и т. п. могут возникать повышения напряжения, представляющие опасность для изоляции оборудования (перенапряжения), пристальное внимание исследователей в последние годы привлекает вопрос об эксплуатации разрядников в целях ограничения перенапряжений.

Впервые разрядники с плавкими вставками для защиты изоляции электроустановок от перенапряжений начали применяться с конца 80-х годов прошлого столетия. Они не удовлетворяли требованиям эксплуатации электроустановок и быстро были заменены разрядниками с многократным искровым промежутком (роликовые разрядники).

В 1908 г. был разработан вентильный разрядник. Он состоял из комбинации многократного искрового промежутка и конденсаторов. При повышении приложенного напряжения у этого разрядника увеличивалось количество пробитых промежутков, включенных параллельно, вследствие чего возрастала его проводимость. Он действовал как паровой клапан (вентиль) при избыточном давлении — с увеличением давления увеличивал пропускную способность. Поэтому его назвали вентильным.

В 1935 г. были разработаны разрядники с нелинейным последовательным резистором из тирита, называвшиеся тиритовыми наружными (РТН).

До 1960 г. выпускались вентильные разрядники, предназначенные для защиты только от грозовых перенапряжений — грозозащитные разрядники, а начиная с 1960 г. начался выпуск комбинированных разрядников, предназначенных для защиты как от грозовых, так и от внутренних перенапряжений.

В настоящее время в соответствии с требованиями «Правил устройства электроустановок» (ПУЭ) и «Правил технической эксплуатации» (ПТЭ) все ответственное электрооборудование электроустановок защищается вентильными разрядниками.

1. Вентильный разрядник

Вентильные разрядники, как и другие типы разрядников, предназначены для ограничения возникающих в электрических сетях коммутационных и атмосферных перенапряжений, с целью предотвращения возможных пробоев изоляции, повреждения оборудования и прочих негативных последствий.

Первый в мире вентильный разрядник был разработан в 1908 г. и представлял из себя комбинацию из многократного искрового промежутка и уравнивающих конденсаторов. В СССР (1935 г.) были разработаны вентильные разрядники с применением тирита, называвшиеся тиритовыми наружными (РТН).

7 стр., 3236 слов

Устройство и принцип действия разрядников

... - вентильный для защиты электроустановок сельскохозяйственного назначения; разрядники серии РВМ, РВМГ, РВМА, РВМК - вентильные с магнитным гашением дуги, модификации Г и А, комбинированные, предназначены для защиты от атмосферных и кратковременных внутренних перенапряжений ...

В 1960г. был освоен выпуск комбинированных вентильных разрядников — как от грозовых так и от коммутационных перенапряжений.

Конструкция и принцип действия

Вентильный разрядник состоит из двух основных компонентов: многократного искрового промежутка (состоящего из нескольких однократных) и рабочего резистора (состоящего из последовательного набора вилитовых или тиритовых дисков).

Многократный искровой промежуток последовательно соединен с рабочим резистором. В связи с тем, что вилит меняет характеристики при увлажнении, рабочий резистор герметично закрывается от внешней среды. Во время перенапряжения многократный искровой промежуток пробивается, задача рабочего резистора — снизить значение сопровождающего тока до величины, которая сможет быть успешно погашена искровыми промежутками. Вентиль обладает особенным свойством — его вольт-амперная характеристика нелинейна — падает с увеличением значения силы тока.

Это свойство позволяет пропустить больший ток при меньшем падении напряжения. Благодаря этому свойству вилита вентильные разрядники и получили свое название. Среди прочих преимуществ вентильных разрядников следует отметить бесшумность срабатывания и отсутствие выбросов газа или пламени.

Рабочие резисторы 3 изменяют свои характеристики при наличии влаги. Кроме того, влага, оседая на стенках и деталях внутри разрядника, ухудшает его изоляцию и создает возможность перекрытия. Для исключения проникновения влаги кожух разрядника герметизируется по торцам с помощью пластин 6 и уплотнительных прокладок из озоностойкой резины.

Работа разрядника происходит в следующем порядке. При появлении перенапряжения пробиваются три последовательно включенных блока искровых промежутков 2. Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю. Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги сопровождающего тока.

Вентильные разрядники серии РВС на напряжение 15—220 кВ выпускаются с 1947 г. Они также состоят из искровых промежутков и последовательных нелинейных резисторов, но параллельно искровым промежуткам подсоединяются шунтирующие резисторы. Это связано с тем, что с увеличением номинального напряжения у разрядников увеличивается количество единичных искровых промежутков. Например, у разрядников РВС-220 количество единичных искровых промежутков равно 192.

Электроды же каждого единичного искрового промежутка представляет собой конденсатор небольшой емкости С, а следовательно, весь искровой промежуток разрядника состоит из последовательно включенных емкостей С и емкостей Си которые образуются между каждым электродом единичного промежутка и землей.

Искровой промежуток разрядника, таким образом, в электрическом отношении представляет собой емкостную схему (рис.).

Напряжение, приложенное к такой схеме, распределяется неравномерно (примерно так же, как по гирлянде изоляторов).

На первых искровых промежутках, считая от провода, присоединяющего разрядник, будет большее напряжение, чем на промежутках, удаленных от провода. Такой характер распределения напряжения имеет место у всех многократных искровых промежутков, но при малом их числе неравномерностью распределения напряжения можно пренебречь.

3 стр., 1366 слов

Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов

... энергии. Электрооптические методы измерений высоких напряжений и больших токов Быстрое развитие линий электропередачи и электрофизических устройств высокого и сверхвысокого напряжения (1200 кВ и выше) обусловило появление новых методов измерений, не требующих создания дорогостоящих и громоздких изоляционных устройств ...

Для равномерного распределения напряжения промышленной частоты по искровым промежуткам разрядники серии РВС снабжаются шунтирующими резисторами Rm, каждый из которых присоединяется параллельно четырем единичным промежуткам, образующим блок искровых промежутков.

Величина сопротивлений шунтирующих резисторов выбирается такой, чтобы проходящий через них ток промышленной частоты был в несколько раз больше тока, проходящего через емкости схемы. В этом случае распределение напряжения по единичным искровым промежуткам будет определяться величиной активных сопротивлений шунтирующих резисторов. При приложении к разряднику импульсного напряжения емкостные сопротивления сильно снижаются и ток, проходящий через емкости, оказывается больше тока, проходящего через активные шунтирующие сопротивления. Распределение напряжения по искровым промежуткам (емкостям) становится неравномерным, что приводит к их каскадному пробою: сначала пробивается промежуток, расположенный ближе к проводу, затем второй от провода, третий и т. д. Так как для каскадного пробоя требуется меньшее напряжение, чем для одновременного пробоя всех промежутков, то коэффициент импульса искровых промежутков снижается и вольт-секундная характеристика выполаживается (коэффициент импульса равен отношению пробивных напряжений при импульсе и 50 Гц).

Для выравнивания распределения импульсного напряжения по искровым промежуткам вентильные разрядники напряжением 110 кВ и выше снабжаются экранирующими металлическими кольцами, прикрепляемыми к головке разрядника. Действие экранирующих колец на разрядниках аналогично действию защитной арматуры на гирляндах изоляторов.

Пробивное напряжение единичных промежутков при промышленной частоте лежит в пределах 2,8—3,2 кВ, а блока искровых промежутков 9—12 кВ.

Конструкция блока искровых промежутков разрядников серии РВС показана на рис. 11. Четыре единичных искровых промежутка 2 помещаются в фарфоровом цилиндре 1, закрытом с обеих сторон пружинящими крышками 3, к которым прикреплены шунтирующие резисторы 5. Картонные шайбы 4 служат для фиксации блока в покрышке. Шунтирующие резисторы — тиритовые.

Разрядники РВС-110, РВС-150 и РВС-220 предназначай для установки только в сетях с эффективным заземлением нейтрали, в которых при несимметричных к. з. отношение максимально возможного фазового напряжения к линейному не превышает 0,8.

Внутренняя полость фарфоровых покрышек снизу и сверху герметизируется. Верхний и нижний концы покрышки армируются с помощью портландцемента силуминовыми фланцами 2, к которым болтами присоединяется силуминовый или латунный диск 1. Между диском и торцевой шлифованной поверхностью покрышки помещается озоностойкая резиновая прокладка 7, которая и создает герметизацию внутренней полости разрядника.

Так же размещены детали внутри разрядников РВС-20 и РВС-35, но у разрядников РВС-30 и РВС-33 блоки искровых промежутков расположены в верхней части покрышки. Фарфоровые покрышки всех вентильных разрядников серии РВС представляют собой полые цилиндры с ребрами на внешней поверхности, которые позволяют по внешнему виду определять номинальное напряжение разрядника. Так, у разрядников типа РВС-15 на внешней поверхности покрышки пять ребер, а у разрядников РВС-20, РВС-30, РВС-33 и ВРС-35 — соответственно семь, девять и десять ребер.

В разрядниках РВС на 150 и 220 кВ устанавливается, кроме нормальных элементов, не менее одного элемента с меньшим разбросом по пробивному напряжению для получения импульсных пробивных напряжений, соответствующих характеристике разрядника данного типа.

Для повышения защитных свойств вентильного разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности б последовательного нелинейного резистора при одновременном повышении дугогасящих свойств искровых промежутков.

Повышение дугогасящих свойств искровых промежутков дает возможность увеличить сопровождающий ток, обрываемый ими, а следовательно, позволяет уменьшить сопротивление последовательного резистора. Техническое усовершенствование вентильных разрядников в настоящее время идет именно этими путями.

Следует отметить, что в схеме вентильного разрядника важное значение имеет заземляющее устройство. При отсутствии заземления разрядник работать не может.

Заземления вентильного разрядника и защищаемого им оборудований объединяются. В тех случаях, когда вентильный разрядник по каким-либо причинам имеет отдельное от защищаемого оборудования заземление, величина его нормируется в зависимости от уровня изоляции оборудования.

2. Разрядники серии РВС

Разрядники вентильные типа РВС предназначены для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Изготавливаются для сетей с любой системой заземления нейтрали. Разрядники типа РВС соответствуют ТУ16-521.264-79 и группе III по ГОСТ 16357-83.

Условное обозначение РВС — XX M Т 1:

Р — разрядник,

В — вентильный,

С — станционный,

ХХ — класс напряжения в кВ,

М — модернизированный,

Т — климатическое исполнение,

Разрядник каждого типа серии РВС состоит из блока многократных искровых промежутков (1) и рабочих нелинейных резисторов (2), заключенных в герметично закрытой фарфоровой покрышке (3).

Разрядник устанавливается на изолированном от “земли” основании (4) для удобства присоединения регистратора срабатывания и для измерения токов проводимости.

Разрядник вентильный РВС предназначен для защиты электрооборудования сетей переменного тока от различных перенапряжений; представляет собой ряд искровых промежутков (ИП), последовательно с которыми включены нелинейные сопротивления (т. е. сопротивления, величина которых зависит от напряжения).

Для выравнивания напряжения вдоль ИП параллельно последним включают шунтирующие сопротивления. ИП, нелинейные и шунтирующие сопротивления размещают в герметизированных фарфоровых изоляторах, что исключает влияние атмосферных условий на характеристики разрядника.

Разрядники вентильные РВС обеспечивают стабильность напряжения пробоя, вольт-секундную характеристику, согласующуюся с вольт-секундными характеристиками защищаемой изоляции, и гашение дуги сопровождающего тока. Когда нарастающее перенапряжение достигает величины пробивного напряжения разрядника, ИП пробиваются и ток волны перенапряжения начинает протекать на землю через нелинейные сопротивления; при этом напряжение на разряднике («остающееся» напряжение) определяется падением напряжения на этих сопротивлениях, которое ниже пробивного.

Им и ограничивается амплитуда воздействующего на изоляцию напряжения.

После пробоя ИП через разрядник начинает протекать также ток промышленной частоты в 50 Гц (сопровождающий ток), который при первом его переходе через нуль должен быть отключен путём гашения дуги в ИП.

Чем ниже величина сопротивления разрядника, тем ниже напряжение на нём и тем лучше его защитное действие, но вместе с тем растет сопровождающий ток, что затрудняет его отключение

В магнитно-вентильном разряднике гашение дуги сопровождающего тока обеспечивается магнитным полем, которое накладывается на ИП («магнитным дутьём»).

Улучшение характеристик современных вентильных разрядников достигается применением резисторов с большим коэффициентом нелинейности.

Разрядник вентильный РВС предназначен для защиты электрооборудования сетей переменного тока от различных перенапряжений; представляет собой ряд искровых промежутков (ИП), последовательно с которыми включены нелинейные сопротивления (т. е. сопротивления, величина которых зависит от напряжения).

Виды разрядников серии РВС:

Условия работы: разрядники РВС-150 предназначены для эксплуатации в районах с умеренным и тропическим климатом при температуре окружающего воздуха: от -45 до +400 С — для исполнения У1; от -10 до +500 С — для исполнения Т1. Высота установки над уровнем моря не более 1000 м. Относительная влажность воздуха: при температуре +250 С до 100% — для исполнения У1; при температуре +350 С до 100% — для исполнения Т1.

Класс напряжения сети, кВ, действующее

150

Номинальное напряжение сети, кВ, действующее

138

Допустимое тяжение проводов, Н, не менее

500

Длина пути утечки внешней изоляции, см, не менее

396

Масса ограничителя, кг

338

Условия работы:

  • высота над уровнем моря не более 1000 м ;
  • температура окружающего воздуха от — 45 С до +40 С ;
  • относительная влажность воздуха при температуре +25 С до 100%.

Класс напряжения сети, кВ, действующее

20

Номинальное напряжение сети, кВ, действующее

24

Допустимое тяжение проводов, Н, не менее

300

Длина пути утечки внешней изоляции, см, не менее

77

Высота (H), мм

960

Масса ограничителя, кг

58

Условия работы: разрядники РВС-220 предназначены для эксплуатации в районах с умеренным и тропическим климатом при температуре окружающего воздуха: от -45 до +400 С — для исполнения У1; от -10 до +500 С — для исполнения Т1.

Высота установки над уровнем моря не более 1000 м. Относительная влажность воздуха: при температуре +250 С до 100% — для исполнения У1; при температуре +350 С до 100% — для исполнения Т1.

Класс напряжения сети, кВ, действующее

220

Номинальное напряжение сети, кВ, действующее

198

Допустимое тяжение проводов, Н, не менее

500

Длина пути утечки внешней изоляции, см, не менее

690

Масса ограничителя, кг

497

Условия работы:

  • высота над уровнем моря не более 1000 м;
  • температура окружающего воздуха от — 45 С до +40 С;
  • относительная влажность воздуха при температуре +25 С до 100%.

Класс напряжения сети, кВ, действующее

35

Номинальное напряжение сети, кВ, действующее

40,5

Допустимое тяжение проводов, Н, не менее

300

Длина пути утечки внешней изоляции, см, не менее

115

Высота (H), мм

1280

Масса ограничителя, кг

73

Заключение

разрядник электроустановка резистор ток

В результате работы стало ясно, что любая изоляционная конструкция, независимо от ее исполнения и класса напряжения, в эксплуатации подвергается длительному рабочему напряжению, кратковременным, грозовым перенапряжениям микросекундного диапазона, более длительным перенапряжениям (коммутационным, дуговым и феррорезонансным) миллисекундного или секундного диапазонов.

Приблизительно до 1980 года основным элементом системы защиты от перенапряжений являлись вентильные разрядники, внедряемые в электрические сети среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжений более 50 лет тому назад. Однако эти защитные аппараты имеют ряд существенных недостатков, основными из которых являются:

  • высокое импульсное, пробивное напряжение Uпр искровых промежутков вследствие чего уровень неограниченных перенапряжений достаточно высок (так, например, по данным ГОСТ 16357-83 кратность импульсного, пробивного напряжения вентильных разрядников 10 кВ I, II и IV групп равна 2,88;
  • 3,13 и 5,88, вентильных разрядников 35 кВ I, II и III групп равна 3,79;
  • 4,07 и 4,38 соответственно);
  • ограниченная пропускная способность, что заставляет отстроить эти защитные аппараты от большинства внутренних перенапряжений, обладающих большой запасенной электромагнитной энергией;
  • после 20-25 лет эксплуатации разрядники несколько ухудшают свои вольтамперную (ВАХ) и вольтсекундную (ВСХ) характеристики, что в итоге не обеспечивают защиту оборудования от перенапряжений (так, например, подъем ВСХ на 25-30 % вентильного разрядника 35 кВ ухудшает показатель надежности грозозащиты тупиковой подстанции ~ в 1,5 раза, подъем ВАХ на 25-30 % того же вентильного разрядника ухудшает показатель надежности ~ в 10 раз);
  • при срабатывании вблизи индуктивных элементов (трансформаторов, реакторов или электрических машин) вызывают в их обмотках градиентные (продольные) перенапряжения, опасные для изоляции упомянутых электромагнитных элементов;
  • из-за наличия искровых промежутков и шунтирующих сопротивлений обладают большими массогабаритными характеристиками, что связано с большими затратами при транспортировке и монтаже (особенно в слабоосвоенных северных районах страны).

По перечисленным причинам приблизительно 30 лет тому назад в стране приостановили производство вентильных разрядников и началось интенсивное развитие работ по созданию новых защитных аппаратов — нелинейных ограничителей перенапряжений на основе высоконелинейных оксидно-цинковых варисторов. Создание упомянутых ограничителей позволило отказаться от искровых промежутков, значительно (на 30-50%) снизить уровень ограничения коммутационных перенапряжений, в 2-3 раза улучшить массогабаритные показатели защитных аппаратов, существенно сэкономить фарфор, алюминиевое литье, прокат черных и цветных металлов.

Первые нелинейные ограничители перенапряжений, разработанные общими усилиями НИИ “Электрокерамика” (г. Ленинград), отраслевых институтов Минтопэнерго (ВЭИ, ВНИИЭ, НИИПТ, ‘Энергосетьпроект’, СибНИИЭ), ряда вузов страны (ЛПИ им. М.И. Калинина, НЭТИ, МЭИ и др.), позволили осуществить широкую программу улучшения технико-экономических показателей сетей высокого, сверхвысокого и ультравысокого классов напряжения. Они позволили снизить габариты ОРУ и ЗРУ, сократить площади, занимаемые ими, снизить объемы строительных и монтажных работ, сэкономить материалы при строительстве и производстве кабельных работ, сократить сроки и стоимость строительства, а во многих случаях снизить испытательные напряжения защищаемого электрооборудования.

Нелинейные ограничители перенапряжений (в дальнейшем сокращенно ОПН) в отличии от вентильных разрядников не имеют искровых промежутков и непосредственно подключаются к защищаемому объекту. Это достигается, благодаря применению в них оксидно-цинковых варисторов, обладающих высонелинейной вольтамперной характеристикой (коэффициент нелинейности a в зависимости U приблизительно равен 0,03-0,04) и достаточно высокой пропускной способностью. По упомянутой причине в ряде стран ОПН называются вентильными разрядниками без искровых промежутков.

В нормальном режиме через ограничители перенапряжений, находящихся под рабочим напряжением, течет ток от долей миллиампера до нескольких миллиампер в зависимости от номинального напряжения защищаемого объекта. При этом их внутреннее сопротивление находится в пределах от десятков до сотен мегаом. Однако при появлении перенапряжений в течение наносекунд внутреннее сопротивление аппарата падает на несколько порядков, а ток через ОПН возрастает в 10 6 -107 раз. В итоге аппарат в рабочих сопротивлениях (варисторах) рассеивает электромагнитную энергию переходного процесса и тем самым глубоко ограничивает перенапряжения независимо от их природы возникновения.