Вентильные разрядники

Вентильные разрядники являются основными аппаратами в схемах защиты изоляции электрооборудования станций и подстанций.

Вентильный разрядник, например, РВС (рис.5.4) состоит из системы соединенных последовательно искровых промежутков ИП и варистора (нелинейного сопротивление). Сопротивление варистора зависит от приложенного напряжения, поэтому его вольтамперная характеристика (и соответственно разрядника в целом) также нелинейная (рис.5.5).

Работает вентильный разрядник следующим образом. Когда мгновенное значение волны перенапряжения U_n на разряднике достигает импульсного пробивного напряжения искровых промежутков, они пробиваются. Сопротивление разрядника при этом мало, и через него протекает значительный по величине импульсный ток I_p, который и определяет напряжение на разряднике. Наибольшее напряжение на разряднике при максимально допустимом импульсном токе через него I_{u, max} называют остающимся напряжением U_ост. Это напряжение должно быть на 20…25% меньше импульсной прочности защищаемой изоляции. После прохождения импульсного тока через разрядник начинает протекать сопровождающий ток промышленной частоты I_сопр, обусловленной рабочим напряжением сети. Так как это напряжение значительно ниже амплитуды импульса перенапряжения, то сопротивление варистора резко возрастает, и величина сопровождающего тока ограничивается до величины, при которой дуга, разбитая в искровых промежутках на большое число отдельных дужек небольшой длины, гасится при первом же переходе сопровождающего тока через нуль.

Наибольшее действующее значение напряжения гашения дуги U_гаш, при котором надежно обрывается проходящий через разрядник ток, называемый током гашения I_гаш, должно быть выше максимально возможного напряжения на разряднике в момент гашения дуги, иначе разрядник может не погасить дугу сопровождающего тока при первом прохождении его через нуль и выйдет из строя.

,

где U_ном - номинальное линейное напряжение;

К_з - коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали;

К_з = 0,8 или 1,1 для установки с заземленной и изолированной нейтралью соответственно.

Важной характеристикой вентильных разрядников является коэффициент защиты

.

Так как U_гаш зависит от U_ном установки, то К_защ определяет значение U_ост разрядника, т.е. требуемый уровень изоляции. Снижение уровня изоляции при сохранении надежности защиты ее с помощью РВ может быть достигнуто путем применения разрядников или ОПН с более пологой вольтамперной характеристикой (рис. 5.5, кривые 2,4) или путем увеличения тока гашения за счет улучшения дугогасящих свойств искровых промежутков (кривая 3).

Искровые промежутки вентильных разрядников делаются многократными, т.е. состоящими из большего числа последовательно соединенных единичных промежутков. Простейший единичный промежуток (рис. 5.6) состоит из двух латунных электродов 1, разделенных изолирующей шайбой 2. Электрическое поле между электродами близко к однородному, поэтому промежуток пробивается при коэффициенте импульса, близком к единице. Количество единичных промежутков в разряднике устанавливают из расчета примерно 1 промежуток на 1-2 кВ фазового номинального напряжения разрядника.

Таким образом, дуга сопровождающего тока оказывается разбитой на ряд дуг малой длины, что обеспечивает при токах I_сопр до 100 А надежное гашение дуги. Применяются такие промежутки в разрядниках РВП и РВС. При сопровождающих токах свыше 100 А применяются промежутки с подвижной дугой.

Такой промежуток (рис. 5.7) представляет собой зазор между кольцом 1 и диском 2. Дуга 3, горящая между этими электродами, в результате взаимодействия с магнитным полем, создаваемым постоянным магнитом 4, перемещается с большой скоростью по кольцевому зазору, что обеспечивает ее гашение. Указанные промежутки надежно гасят дугу при I_сопр до 250…300 А.

Принцип действия искровых промежутков с растягивающейся дугой показан на рис. 5.8. Два электрода 1 располагаются между стенками дугогасительной камеры 2 в магнитном поле Н. в таком поле на дугу 4 сопровождающего тока действует сила F, в результате чего дуга перемещается и растягивается между перегородками 3 камеры 2, стремясь занять конечное положение 4, охлаждается и гаснет. Стенки камеры 2 изготавливаются из дугогасительной керамики. Промежутки с растягивающейся дугой применяются в разрядниках РВТ и РВРД.

Для увеличения пробивного напряжения разрядников при промышленной частоте и облегчения гашения дуги сопровождающего тока распределения напряжения по искровым промежуткам должно быть равномерным. Для этого искровые промежутки шунтируют резисторами R (рис. 5.4), сопротивление которых выбирают так, чтобы через них протекал ток, превышающий в несколько раз емкостный ток искровых промежутков.

Рабочие сопротивления (варисторы) r разрядников РВС, РВП изготавливаются из порошка электротехнического карборунда SiC. На поверхности зерен карборунда имеется тонкий запорный слой из окиси кремния SiO₂.

Удельное сопротивление зерен карборунда невелико – порядка 10^-2 Ом м, а сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях (небольших напряжениях на варисторе) удельное сопротивление запорного слоя составляет 10⁴…10⁶Ом×м, все приложенное напряжение падает при этом на запорный слой, который и определяет сопротивление варистора.

При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает, и величина сопротивления варистора начинает определяться сопротивлением собственно карборунда.

Нелинейное сопротивление вентильных разрядников выполняется в виде дисков, состоящих из карборундового порошка и связующего материала. В настоящее время применяются диски из вилита и тервита. Для изготовления вилитовых дисков в качестве связующего применяется жидкое стекло. Это позволяет спекать диски при сравнительно низкой температуре (около 300 С). Тервитовые диски при изготовлении обжигаются, при температуре свыше 1000 С. При этом часть запорных пленок выгорает, что повышает пропускную способность материала, но уменьшает степень нелинейности.

Вентильные разрядники по ГОСТ 16537-70, который устанавливает требования к электрическим характеристикам вентильных разрядников, разделены на четыре группы. К 1 группе отнесены разрядники с наилучшими защитными свойствами, т.е. имеющие наименьшее значение остающегося напряжения. К этой группе относятся разрядники серий РВТ и РВРД. Затем следуют разрядники 2 группы – серии РВМ, разрядники 3 группы – серии РВС и 4 – серии РВП.

Облегченные разрядники серии РВП применяются для защиты изоляции подстанций напряжением 3…10 кВ. они имеют варисторы из дисков диаметром 55 мм, и импульсный ток для них не должен превышать 5 кА.

Разрядники унифицированной серии РВС служат для защиты электрооборудования подстанций и выпускаются в виде элементов на напряжение 15,20,33,35 кВ, причем элемент на 33 кВ предназначен исключительно для комплектования разрядников на более высокие напряжения (110…220 кВ). Пропускная способность разрядников 10 кА (диаметр дисков 100 мм).

Вентильные разрядники с магнитным гашением маркируются на напряжение 3…35 кВ как РВМ, на напряжение 110 кВ и выше, как РВМГ (грозозащитные). Разрядники РВМ применяются, в основном, для защиты изоляции вращающихся машин. На напряжение 3…20 кВ разрядники выпускаются в виде отдельных элементов, на напряжение 35 кВ и выше комплектуются из нескольких элементов. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением. Блоки единичных искровых промежутков шунтируются нелинейным резистором полукольцевой формы. Применение вилитовых дисков диаметром 150 мм позволило вдвое увеличить пропускную способность разрядников РВМ и РВМГ по сравнению с разрядниками типа РВС.

В новой серии магнитно-вентильных разрядников РВТ (разрядник вентильный токоограничивающий) применены токоограничивающие искровые промежутки с растягивающейся дугой (рис.5.8). Магнитное поле создается катушками, включенными последовательно с искровыми промежутками. За время протекания импульсного тока дуга существенно растянуться не успевает, и сопротивление ее не велико. При протекании сопровождающего тока промышленной частоты дуга вводится в узкую щель разрядника, растягивается, ее сопротивление возрастает, и величина сопровождающего тока ограничивается уже не только сопротивлением рабочего варистора, но и сопротивлением дуги.

Варисторы разрядников РВТ на напряжение 3…10 кВ комплектуется из тервитовых дисков диаметром 70 мм, а разрядников 110…500 кВ – из дисков диаметром 100 мм. Остающееся напряжение разрядников РВТ примерно на 20 % ниже, чем у разрядников серии РВМ.

ОПН выполняется в виде системы керамических резисторов на основе окиси цинка (ZnO) с высокой степенью нелинейности. Металлизированные с торцов диски (например, 4 параллельных колонки из дисков диаметром 28 мм и высотой 8 мм – ОПН 110) размещаются в геометрическом изолирующем корпусе. ОПН обеспечивают ограничение сопровождающего тока до 10^-4…10^-5 А при рабочем напряжении сети, обладая достаточно высокой пропускной способностью при перенапряжениях. Уровень ограничения грозовых перенапряжений с помощью ОПН составляет (2,0…2,2) U_ф, коммутационных – (1,68…1,8) U_ф.

Расчетными величинами при выборе и установке ОПН являются длительность воздействия перенапряжения. В зависимости от длительности воздействия определяется параметр , где U_c – напряжение на ОПН, которое он должен выдерживать как угодно долго; U_n(t) – перенапряжение заданной длительности. Типичная характеристика T_c=f[(U_n(t)] приведена на рис. 5.10.

Рис. 5.10.Зависимость

Эта характеристика необходима для корректного выбора уставок релейной защиты и других систем автоматики. Так же расчетной величиной при выборе ОПН является количество импульсов заданной формы и максимальное значение импульсного тока. Соответствующее нормированному остающемуся напряжению U_осt. Типичная характеристика U_опн=f(I) приведена на рис. 5.11.

Рис. 5.11.Соотношение U_осt к U_с в зависимости от импульсного тока

В зависимости от типа и назначения ОПН К=2¸4. При U_опн £ U_с, ток протекающий через нелинейный резистор, составляет единицы mA и главной проблемой при эксплуатации ОПН является недопущение возрастания этого тока (разгерметизация и увлажнение конструкции и т.д.).

Методика расчета и выбора ОПН продолжает совершенствоваться, и со временем ОПН должны заменить все виды защитных разрядников.

Содержание работы

1. Эскиз вентильного разрядника (РВС-6 или РВС-15) с указанием основных размеров.

2. Эскиз трубчатых разрядников (РТВ, РТФ). На эскизах должно быть показано внутреннее устройство разрядников.

3. Эскиз и описание искровых промежутков разрядников типа РВС и РВМ.

4. Описание варисторов вентильных разрядников.

5. Эскиз и описание ОПН (по указанию преподавателя).

6. Построить вольтамперную характеристику разрядника РВС-6, если известно, что a=0,22 и U_р =30000В при токе I_p=5000А, считая, сто напряжение на разряднике изменяется по закону .

7. Выполнить расчет и для вентильных разрядников разных типов и ОПН с использованием программы ЭВМ (по указанию преподавателя).

8. Выполнить расчет перенапряжения на подстанции по программе (выполняется расчет по отдельной инструкции).

Контрольные вопросы

1. Назначение трубчатых и вентильных разрядников.

2. Принцип работы трубчатых и вентильных разрядников.

3. Применение и особенность работы отдельных типов вентильных разрядников (РВП, РВС, РВМГ, РВТ, РВРД, ОПН).

4. Конструкции вентильных и трубчатых разрядников и назначение их отдельных частей.

5. Методика расчета и выбора ОПН.

6. Примеры расчета установки трубчатых, вентильных разрядников и ОПН.

Литература: [1], с.270-285;

[2], с.230-250;

[3], с.181-186; 348-350.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Факультет систем автоматического управления

(ИВТС им. В.П. Грязева)

Кафедра «Электроэнергетика»