Вентильные разрядники

Принцип действия и основные характеристики. Основными элементами вентильного разрядника являются многократный искровой промежуток и соединенный последовательно с ним резистор с нелинейной вольтамперной характеристикой (рис. 11.7). При воздействии на разрядник импульса грозового пе­ренапряжения пробивается искровой промежуток и через разрядник проходит импульсный ток, создающий падение напряжения на сопротивлении разрядника. Благодаря нелинейной вольтамперной - характеристике материала, из которого выполнено сопротивление, это напряжение мало меняется при существенном изменении импульсного тока и незначительно отличается от импульсного пробивного напряжения искрового промежутка разрядника U_пр.и. Одной из основных характеристик разрядника является остающееся напряжение разрядника U_ост, т. е. напряжение при определенном токе (5—14 кА для разных U_ном), который называется током координации. Импульсное пробивное напряжение искрового промежутка разрядника и близкое к нему напряжение U_ост должны быть на 20—25% ниже разрядного напряжения изоляции (координационный интервал).

Рис. 11.7 – Вольт-амперные характеристики вентильного разрядника и пути уменьшения остающегося напряжения. 1 и 2 — разные степени нелинейности; 1 и 3 — разные токи гашения.

После окончания процесса ограничения перенапряжения через разрядник продолжает проходить ток, определяемый рабочим напряжением промышленной частоты. Этот ток (так же, как и у трубчатых разрядников) называется сопровождающим током. Сопротивление нелинейного резистора разрядника резко возрастает при малых по сравнению с перенапряжениями рабочих напряжениях, сопровождающий ток существенно ограничивается, и при переходе тока через нулевое значение дуга в искровом промежутке гаснет. Наибольшее напряжение промышленной частоты на вентильном разряднике, при котором надежно обрывается проходящий через него сопровождающий ток, называется напряжением гашения U_гаш, а соответствующий ток — током гашения I_гаш. Гашение дуги сопровождающего тока должно осуществляться в условиях однофазного замыкания на землю, так как во время одной и той же грозы могут произойти перекрытие изоляции на одной фазе и срабатывание разрядника в двух других фазах. Таким образом, напряжение гашения должно быть равным напряжению на неповрежденных фазах при однофазном замыкании на землю:

(11.1)

где k₃ — коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали (ниже будет показано, что k₃ = 0,8; 1,1 соответственно для установок с заземленной и изолированной нейтралью); U_ном — номинальное линейное напряжение.

Эффективность действия разрядника характеризуется так называемыми защитными отношениями:

(11.2)

(11.3)

где U_np~ — пробивное напряжение искрового промежутка разрядника при 50 Гц.

Основное значение для грозозащитных разрядников имеет снижение k_защ, которое может быть достигнуто двумя путями. Первый путь — получение более пологой вольтамперной характеристики (рис. 11.7, кривая 2) — уже в достаточной мере использован и в настоящее время не открывает реальных перспектив. Второй путь — увеличение тока гашения за счет улучшения дугогасящих свойств промежутка — позволяет снизить вольтамперную характеристику во всем диапазоне токов (кривая 3).

Вентильные разрядники обладают определенной пропускной способностью, т. е. предельной величиной тока, который они могут многократно пропускать без изменения своих электрических характеристик. Пропускная способность разрядника зависит от теплостойкости его нелинейного резистора. До недавнего времени вследствие недостаточной пропускной способности вентильные разрядники отстраивались от внутренних перенапряжении, т. е. имели пробивное напряжение выше возможной величины внутренних перенапряжений и предназначались только для ограничения кратковременных перенапряжений грозового происхождения. Разработка нелинейных резисторов с более высокой пропускной способностью и применение новых принципов гашения дуги сопровождающего тока позволяют в настоящее время возложить на разрядники также и функцию ограничения более длительных внутренних перенапряжений. Это обстоятельство открывает перспективу дальнейшего снижения уровней изоляции электрооборудования и повышения его экономической эффективности.

Нелинейные резисторы вентильных разрядников. Основу нелинейного резистора разрядника составляет порошок электротехнического карборунда SiC. На поверхности зерен карборунда имеется запорный слой толщиной порядка 100 мкм из окиси кремния SiО₂. Удельное сопротивление собственно зерен карборунда невелико — около 10^-2 Ом∙м. Сопротивление запорного слоя нелинейно зависит от напряженности электрического поля. При малых напряженностях поля (при небольших напряжениях на резисторе) удельное сопротивление запорного слоя составляет 10⁴—10⁶ Ом∙м, все напряжение ложится на запорный слой, и он определяет значение сопротивления нелинейного резистора. При повышении напряженности поля сопротивление запорного слоя резко падает, и значение сопротивления нелинейного резистора начинает определяться собственно карборундом.

Свойства материала резко менять свое сопротивление в зависимости от напряжения, обеспечивая пропускание очень больших токов при высоких напряжениях и весьма малых — при пониженных напряжениях, называют «вентильными». Отсюда и название аппарата: вентильный разрядник (РВ).

Нелинейные резисторы вентильных разрядников выполняются 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 связки применяется жидкое стекло. Это позволяет спекать диски при сравнительно низкой температуре (около 300 ^СС). 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.

На рис. 11.8 показана вольтамперная характеристика вилитовых дисков диаметром 100 мм и толщиной 60 мм, которые применяются в разрядниках типа РВС (разрядник вентильный станционный). Характеристика снята при импульсах 20/40 мкс в диапазоне токов 1—10 000 А. Как видно из рисунка, вольт-амперная характеристика в логарифмических координатах (U, В; I, А) может быть изображена .двумя отрезками прямых с различными наклонами. Для каждого отрезка прямой действительна аналитическая зависимость

(11.4)

где α — показатель нелинейности диска. Чем меньше α, тем более пологой является вольтамперная характеристика.

Области больших токов, проходящих через разрядник при перенапряжениях, соответствует второй (правый) участок вольтамперной характеристики. На этом участке коэффициент нелинейности для вилита имеет значение 0,11—0,2, а для тервита 0,15—0,25. Первый (левый) участок вольт-амперной характеристики соответствует области сопровождающих токов. Коэффициенты а на этом участке велики: для вилита 0,28—0,3, а для тервита 0,35—0,38.

Рис. 11.8 – Вольт-амперная характеристика вилитового диска d=100 мм, h=60 мм.

Зависимость (11.4) для разрядника, состоящего из m дисков может быть переписана в следующем виде:

(11.5)

Постоянные А и α должны быть взяты различными для двух частей вольт-амперной характеристики. Постоянная А для вольтамперной характеристики представляет собой сопротивление диска при токе в 1 А.

Пропускная способность нелинейного элемента разрядника характеризуется предельной энергией, которая может быть выделена без разрушения дисков; она зависит и от максимального значения тока, и от его длительности (рис. 11.9).

Рис. 11.9 – Зависимость между максимальным значением разрушающего импульса I_разр и его длительностью τ при 20—30 импульсах для вилитовых дисков диаметром 100 мм.

В условиях эксплуатации для грозовых перенапряжений характерны токи с большими максимальными значениями и малой длительностью. При внутренних перенапряжениях, напротив, через разрядник могут проходить значительно меньшие токи длительностью около нескольких миллисекунд. Поэтому пропускную способность вентильных разрядников принято характеризовать максимальным значением импульса тока 20/40 мке и током прямоугольной формы длительностью 2 мс (в некоторых случаях максимальным значением импульса тока 3/8 мс). Эти воздействия разрядники должны выдерживать не менее 20 раз.

Предельным максимальным значением импульсного тока для вилитовых и тервитовых дисков является ток I_доп=5–14 кА. Как известно, токи молнии могут достигать значительно больших значений. Ограничение токов, проходящих через разрядник, до допустимой величины возлагается на схему защитного подхода к подстанции.

При длительности 2 мс для вилитовых дисков диаметром 150 мм предельными являются токи до 400 А, поэтому вилитовые разрядники предназначаются в основном для защиты от грозовых перенапряжений. Тервит обладает значительно большей пропускной способностью: до 750 А (при длительности 2 мс) для дисков диаметром 70 мм и до 1500 А для дисков диаметром 115 мм. В связи с этим разрядники с тервитовыми резисторами могут использоваться как для защиты от грозовых перенапряжений, так и для ограничения внутренних перенапряжений.

Искровые промежутки вентильных разрядников. Работа вентильного разрядника начинается с пробоя искровых промежутков (ИП) и заканчивается гашением дуги сопровождающего тока. На каждом из этих этапов работы разрядника к ИП предъявляются различные требования.

На первом этапе процесс определяется вольт-секундной характеристикой ИП. Для успешной защиты подстанционной изоляции эта характеристика должна быть достаточно пологой. Получить такую вольт-секундную характеристику удается только с помощью многократных ИП, т. е. большого числа последовательно включенных единичных промежутков, а также с помощью активизации единичных промежутков.

Простейший единичный промежуток (рис. 9.10) состоит из двух латунных электродов 1, разделенных миканитовой шайбой 2. Электрическое поле между электродами близко к однородному. При приложении к промежутку 3 напряжения в воздушных прослойках между поверхностью электродов и миканитом из-за разницы диэлектрических проницаемостей воздуха и миканита возникает высокая напряженность поля и начинается ионизация, снабжающая начальными электронами межэлектродное пространство. Промежуток в результате этого пробивается при коэффициентах импульса, близких к единице, за десятые доли микросекунд (активизация промежутка).

Гашение сопровождающего тока простейшими искровыми промежутками основано на естественном восстановлении электрической прочности между холодными электродами. Предельная амплитуда тока гашения составляет I_гаш=80–100 А.

Рис. 11.10 – Единичный искровой промежуток с неподвижной дугой.

На рис. 11.11 изображен единичный искровой промежуток с интенсификацией процесса гашения дуги, позволяющий получить I_гаш=250 А. Промежуток представляет собой кольцевую щель между двумя медными концентрически расположенными электродами. Щель пронизывается магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами. Активизация искрового промежутка осуществляется за счет ионизации в месте контакта специальных электродов с диэлектрической прокладкой. Возникающая в результате пробоя промежутка дуга под действием магнитного поля начинает с большой скоростью вращаться по кольцевой щели, интенсивно охлаждаясь. При обрыве дуги в промежутке восстанавливающаяся прочность нарастает значительно быстрее, чем в обычном промежутке с неподвижной дугой. В результате в искровом промежутке с вращающейся дугой могут гаситься значительно большие сопровождающие токи, что позволяет уменьшить число дисков, а следовательно, и остающееся напряжение. Для разрядников с простейшими искровыми промежутками защитное отношение составляет 2,6, а для разрядников с магнитным гашением дуги — 2,2, т. е. при том же напряжении гашения остающееся напряжение на 25% ниже. Дальнейшее снижение защитного отношения до 1,7 может быть достигнуто путем применения так называемых токоограничивающих искровых промежутков. В этих промежутках дуга сопровождающего тока с помощью магнитного поля вводится в узкую щель и интенсивно деионизируется. Сопротивление дуги растет, и на искровых промежутках создается достаточно большое падение напряжения ΔU. В этих условиях нелинейный резистор должен ограничивать сопровождающий ток до значения I_гаш при напряжении U_гаш–ΔU.

Сопровождающий ток находится в фазе с рабочим напряжением на разряднике. Поэтому после гашения тока, которое происходит при его прохождении через нулевое значение, напряжение на промежутках восстанавливается приблизительно по синусоиде промышленной частоты и медленнее, чем электрическая прочность промежутков. Важную роль в процессе гашения сопровождающего тока играет равномерное распределение восстанавливающегося напряжения между последовательно соединенными единичными промежутками, которое достигается с помощью шунтирования промежутков резисторами с большим сопротивлением.

Рис. 11.11 – Конструкция искрового промежутка с вращающейся дугой. 1 — внутренний электрод; 2 — внешний электрод; 3 — прессшпановая прокладка; 4 — миканитовая прокладка; 5 — подсвечивающий электрод; 6 — винты; 7 — пластмассовое кольцо; 8 — постоянный магнит.

В импульсном режиме распределение напряжения между промежутками определяется их собственными емкостями и емкостями по отношению к земле, нелинейному элементу и вводу, т. е. многократный искровой промежуток разрядника представляет собой емкостную цепочку, подобную, например, схеме замещения гирлянды изоляторов. Импульсное напряжение по такой цепочке распределяется очень неравномерно, что обеспечивает быстрый каскадный пробой всех промежутков разрядника. Таким образом, сочетание неравномерного распределения напряжения по промежуткам с предварительной ионизацией (активизацией) единичного промежутка с однородным полем обеспечивает низкие коэффициенты импульса и пологий характер вольт-секундной характеристики вентильного разрядника.

В разрядниках на напряжения 110 кВ и выше число единичных промежутков очень велико и неравномерность распределения напряжения приводит при крутых фронтах волн к коэффициентам импульса меньше единицы. Для того чтобы удержать коэффициент импульса близким к единице, разрядники на эти напряжения снабжаются экранирующими кольцами, способствующими некоторому выравниванию распределения напряжения по промежуткам.

На рис. 11.12 показана вольт-секундная характеристика разрядника РВМГ-220, для которой характерно существенное снижение пробивного напряжения ИП при малых предразрядных временах. Импульсные пробивные напряжения при предразрядных временах 5—20 мкс приближаются к остающемуся напряжению.

Рис. 11.12 – Вольт-секундная характеристика разрядника РВМГ-220.

Конструктивные особенности вентильных разрядников разных серий. Требования к характеристикам грозозащитных вентильных разрядников устанавливает ГОСТ 16357-70, по которому разрядники всех классов напряжений разделены на четыре группы. Наилучшими защитными свойствами обладают разрядники I группы, имеющие наименьшие значения остающегося напряжения. Далее идут разрядники II, III и IV групп. Выпускаемые в настоящее время серии разрядников следующим образом распределены по этим группам: I группа — серии РВТ и РВРД; П группа — серии РВМ, III группа —серии РВС, IV группа — серии РВП.

Разрядники серии РВП и РВС. На напряжения 3, 6 и 10 кВ применяются разрядники серии РВП. В серии РВС разрядники на высшие классы напряжения комплектуются из стандартных элементов на более низкие напряжения: 15, 20 и 35 кВ. Для удобства комплектовки введен также элемент, соответствующий напряжению 33 кВ. Каждый элемент разрядников содержит искровые промежутки и диски нелинейного резистора. Четыре последовательных единичных промежутка размещаются в фарфоровом цилиндре и обра­зуют стандартный комплект промежутков, который шунтируется калиброванным кар­борундовым резистором, обеспечивающим равномерное распределение напряжения промышленной частоты.

Рис. 11.13 – Размещение искровых промежутков и дисков в разряднике РВС-20. 1 — стандартный комплект искровых промежутков; 2 — блок нелинейных резисторов.

Нелинейные резисторы разрядников этих серий собираются из вилитовых дисков диаметром 100 мм и высотой 60 и 20 мм, которые также соединяются в блоки с помощью керамической обмазки. Контакт между дисками и блоками осуществляется посредством металлизации поверхностей дисков. Комплекты искровых промежутков и вилитовых дисков помещаются в герметизированных фарфоровых чехлах. Герметизация необходима для предохранения вилита от действия влаги и для обеспечения стабильности разрядных характеристик искровых промежутков. Размещение дисков и искровых промежутков в элементе РВС-20 показано на рис. 11.13.

Рис. 11.14 – Вентильные разрядники РВС на напряжение 35-220 кВ.

На рис. 11.14 представлен внешний вид разрядников типа РВС на 35, ПО и 220 кВ. Разрядник РВС-110 представляет собой свободно стоящую конструкцию изтрех элементов на 35 кВ. Разрядник РВС-220 состоит из двух последовательно соединенных колонок, каждая из которых содержит по три элемента на 33 кВ. Разрядники на напряжения 110 кВ и выше снабжены экранирующими кольцами для выравнивания распределения напряжения по промежуткам.

Разрядники серий РВМ и РВМГ. Магнитно-вентильные разрядники на напряжения 3—35 кВ составляют серию РВМ, а на напряжения 110—500 кВ —серию РВМГ. В разрядниках этих серий применены искровые промежутки с магнитным гашением. Блоки единичных искровых промежутков шунтируются нелинейными резисторами полукольцевой формы. Применение вилитовых дисков диаметром 150 мм позволило вдвое увеличить пропускную способность по сравнению с разрядниками типа РВС.

Разрядники серии РВМ на 3 6, 10 кВ предназначены для защиты вращающихся машин. Отличительной особенностью этих разрядников является их низкий коэффициент импульса (не более 0,6) в диапазоне предразрядных времен, соответствующих грозовым перенапряжениям. Это постигается с помощью включения дополнительных емкостей по отношению к земле (рис. 11.15).

Рис. 11.15 – Электрическая схема разрядников типа РВМ на3—10 кВ. ИП — искровые промежутки; НP — нелинейный резистор; ШР — шунтирующие резисторы; К — конденсаторы.

Разрядники серии РВТ (разрядник вентильный токоограничивающий). В новой серии магнитно вентильных разрядников РВТ применены токоограничивающие искровые промежутки с узкой щелью. Нелинейные резисторы разрядников РВТ на напряжения 3—10 кВ комплектуются из тервитовых дисков диаметром 70 мм, а разрядников 110—500 кВ — из тервитовых дисков диаметром 100 мм. Защитное отношение разрядников серии РВТ на 20% ниже, чем у разрядников серии РВМ. При этом у разрядников на 3—10 кВ, предназначенных для защиты вращающихся машин, остающееся напряжение при токе 3 кА и импульсное пробивное напряжение не превышают испытательных напряжений изоляции машин.

Рис. 11.16 – Разрядник РВМК-П. а — принципиальная схема; б — вольтамперная характеристика разрядника на 500 кВ; 1 —характеристика разрядника при внутренних перенапряжениях; 2 — характеристика разрядника при грозовых перенапряже­ниях; 3 — напряжение на промежутке ИП₂.

Высокая пропускная способность тервита обусловливает возможности ограничения внутренних перенапряжений с помощью разрядников этой серии. Разрядники серии РВРД (разрядник вентильный с растягивающейся дугой). Эти разрядники, как и разрядники серии РВТ, имеют токоограничивающие искровые промежутки, но несколько иной конструкции. По своим импульсным характеристикам они практически не отличаются от разрядников РВТ. Однако за счет улучшенных условий гашения дуги у разрядников РВРД примерно на 25% выше, чем у разрядников РВТ, напряжение гашения, что существенно повышает эффективность действия этого разрядника. Разрядники РВРД выпускаются на номинальные напряжения 110 кВ и выше.

Разрядники серии РВМК-П (разрядник вентильный магнитный комбинированный, с повышенным напряжением гашения при коммутационных перенапряжениях). Разрядники этой серии предназначены для ограничения как грозовых, так и внутренних перенапряжений. В разрядниках применены искровые промежутки с магнитным гашением дуги. Нелинейные резисторы собраны из тервитовых дисков диаметром 70 мм. Тервит имеет высокую пропускную способность, однако у него хуже, чем у вилита, коэффициент нелинейности. Это создает трудности при конструировании таких разрядников. Если тервитовый нелинейный резистор обеспечивает защиту от внутренних перенапряжений при проходящих черезразрядник токах до 1,5 кА, то при грозовых перенапряжениях, когда токи достигают 10 кА, вследствие высокого коэффициента нелинейности оно не может обеспечить защиту изоляции. Это обстоятельство привело к комбинированной схеме разрядника, показанной на рис. 11.16, а. Часть тервитовых дисков разрядника (около40%) зашунтирована дополнительным искровым промежутком ИП₂, который при внутренних перенапряжениях не пробивается, и остающееся напряжение на разряднике соответствует характеристике 1 на рис. 11.16, б. При прохождении через разрядник тока больше нормированного тока внутренних перенапряжений напряжение на шунтирующем искровом промежутке (кривая 3 на рис. 11.16, б) становится больше его пробивного напряжения и часть дисков шунтируется. При этом остающееся напряжение следует характеристике 2 и остается в допустимых пределах.