Главная » Строительство » Вентильный разрядник принцип действия

Вентильный разрядник принцип действия

Устройство и принцип действия вентильных разрядников

Основными элементами вентильного разрядника являются искровой промежуток и нелинейный последовательный резистор, которые включаются последовательно между токоведущим проводом и землей параллельно защищаемой изоляции.

При воздействии на разрядник импульса грозового перенапряжения его искровой промежуток пробивается и через разрядник проходит ток. Разрядник таким образом вводится в работу. Напряжение, при котором пробиваются искровые промежутки, называется пробивным напряжением разрядника.

После пробоя искрового промежутка напряжение на разряднике, а значит, и на защищаемой им изоляции снижается до величины, равной произведению импульсного тока I и на сопротивление последовательного резистора Rи. Это напряжение называется остающимся напряжением Uосн. Его величина не остается постоянной, а изменяется вместе с изменением величины импульсного тока I и, проходящего через разрядник. Однако в течение всего времени работы разрядника остающееся напряжение не должно повышаться до величины, опасной для защищаемой изоляции.

Рис. 1. Электрическая схема включения вентильных разрядников. ИП — искровой промежуток, Rн — сопротивление нелинейного последовательного резистора, U — импульс грозового перенапряжения, И — изоляция защищаемого объекта.

После прекращения протекания импульсного тока через разрядник продолжает проходить ток, обусловленный напряжением промышленной частоты. Этот ток называется сопровождающим. Искровые промежутки разрядника должны обеспечить надежное гашение дуги сопровождающего тока при первом прохождении его через нуль.

Рис. 2. Форма импульса напряжения до и после срабатывания вентильного разрядника. t р — время срабатывания разрядника (время разряда), I и — импульсный ток разрядника.

Напряжение гашения вентильных разрядников

Надежность гашения дуги искровым промежутком зависит от величины напряжения промышленной частоты на разряднике в момент гашения сопровождающего тока. Максимальная величина напряжения, при которой искровые промежутки разрядников надежно разрывают сопровождающий ток, называется наибольшим допустимым напряжением или напряжением гашения Uгаш.

Величина напряжения гашения вентильного разрядника задается режимом работы электроустановки, в которой он работает. Так как при грозовых воздействиях могут происходить одновременно замыкание одной фазы на землю и работа вентильных .разрядников на других неповрежденных фазах, то напряжение на этих фазах при этом повышается. Напряжение гашения вентильных разрядников выбирается с учетом подобных повышений напряжения.

Для разрядников, работающих в сетях с изолированной нейтралью, напряжение гашения принимается равным U гаш =1,1 х 1,73 х U ф = 1,1 U н, где U ф — рабочее фазное напряжение.

При этом учитывается возможность повышения напряжения на неповрежденных фазах до линейного при замыкании одной фазы на землю и еще на 10% из-за регулирования напряжения потребителя. Следовательно, наибольшее рабочее напряжение разрядника составляет 110% номинального линейного напряжения Uном.

Для разрядников, работающих в сетях с глухо заземленной нейтралью, напряжение гашения составляет 1,4 U ф, т. е. 0,8 номинального линейного напряжения сети: U гаш = 1,4 U ф = 0,8 U ном. Поэтому такие разрядники иногда называются 80%-ными.

Искровые промежутки вентильных разрядников

Искровые промежутки вентильных разрядников должны удовлетворять следующим требованиям: иметь стабильное пробивное напряжение при минимальных разбросах, иметь пологую вольт-секундную характеристику, не изменять свое пробивное напряжение после многократных срабатываний, гасить дугу сопровождающего тока при первом переходе его через нулевое значение. Этим требованиям удовлетворяют многократные искровые промежутки, которые собираются из единичных искровых промежутков с малыми воздушными зазорами. Единичные искровые промежутки включаются последовательно и на каждый из них при наибольшем допустимом напряжении приходится около 2 кВ.

Деление дуги на короткие дуги в единичных искровых промежутках повышает дугогасящие свойства вентильного разрядника, что объясняется интенсивным охлаждением дуги и большим падением напряжения у каждого электрода (эффект катодного падения напряжения).

Напряжение пробоя искровых промежутков вентильного разрядника при воздействии атмосферных перенапряжений определяются его вольт-секундной характеристикой, т. е. зависимостью времени разряда от амплитуды импульса перенапряжения. Время разряда – это время от начала воздействия импульса перенапряжения до пробоя искрового промежутка разрядника.

Для эффективной защиты изоляции вольт-секундная характеристика ее должна лежать выше вольт-секундной характеристики разрядника. Сдвиг вольт-секундных характеристик необходим для того, чтобы сохранить надежность защиты при случайном ослаблении изоляции в эксплуатации, а также из-за наличия зон разброса разрядных напряжений как у самого разрядника, так и у защищаемой изоляции.

Вольт-секундная характеристика разрядника должна иметь пологую форму. Если она будет крутой, как это показано на рис. 3 пунктиром, то это приведет к тому, что разрядник потеряет универсальность, так как для каждого вида оборудования, обладающего индивидуальной вольт-секундной характеристикой, потребуется свой специальный разрядник.

Рис. 3. Вольт-секундные характеристики вентильных разрядников и защищаемой ими изоляции.

Нелинейный последовательный резистор. К нему предъявляются два противоположных требования: в тот момент, когда через него проходит ток молнии, его сопротивление должно уменьшаться; тогда же когда через него проходит сопровождающий ток промышленной частоты, оно должно, наоборот, увеличиваться. Таким требованиям удовлетворяет карборундовое сопротивление , которое изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения: чем выше приложенное напряжение, тем ниже его сопротивление и, наоборот, чем ниже приложенное напряжение, тем больше его сопротивление.

Кроме того, последовательно включенное карборундовое сопротивление, являясь активным сопротивлением, уменьшает сдвиг по фазе между сопровождающим током и напряжением, а при одновременном переходе их через нулевое значение гашение дуги облегчается.

С повышением напряжения величина сопротивления запорных слоев падает, что обеспечивает прохождение больших токов при относительно небольших падениях напряжения.

HTML clipboard Зависимость напряжения на разряднике от величины проходящего через него тока (вольт-амперная характеристика) приближенно выражается уравнением:

где U — напряжение на сопротивлении нелинейного резистора вентильного разрядника, I — ток, проходящий через нелинейный резистор, С — постоянная, численно равная сопротивлению при токе 1 А, α — коэффициент вентильности.

Чем меньше коэффициент α, тем меньше изменяется напряжение на нелинейном резисторе при изменении проходящего через него тока и тем меньше остающееся напряжение на вентильном разряднике.

Каждый импульс тока оставляет в последовательном резисторе след разрушения – происходит пробой запорного слоя отдельных зерен карборунда. Многократное прохождение импульсов тока приводит к полному пробою резистора и разрушению разрядника. Полный пробой резистора наступает тем скорее, чем больше амплитуда и длина импульса тока. Поэтому пропускная способность вентильного разрядника ограничена. При оценке пропускной способности вентильных разрядников учитывается пропускная способность и последовательных резисторов и искровых промежутков.

Резисторы должны выдерживать без повреждения 20 импульсов тока длительностью 20/40 мкс с амплитудой, зависящей от типа разрядника. Например, для разрядников типов РВП и РВО напряжением 3 – 35 кВ амплитуда тока равна 5000 А, типа РВС напряжением 16 – 220 кВ – 10 000 А и типов РВМ и РВМГ напряжением 3 – 500 кВ – 10000 А.

Для повышения защитных свойств вентильного разрядника нужно снижать остающееся напряжение, чего можно достичь уменьшением коэффициента вентильности α 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.

После тщательного осмотра разрядники устанавливают на опорные конструкции, выверяют по уровню и отвесу с подкладкой в необходимых случаях под цоколь отрезков из листовой стали и закрепляют на опорах с помощью хомута болтами.

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. 6.

Рисунок 6 – Вольт-амперная характеристика нелинейных резисторов вентильного разрядника:

1 – больший (тервит, тирит) и 2 – меньший (вилит) коэффициенты нелинейности

Технические требования к РВ переменного тока напряжением от 3 до 500 кВ определены ГОСТ 16357-70.

Нормированные этим ГОСТом основные характеристики вентильного разрядника:

1. Напряжение гашения – наибольше приложенное к разряднику напряжение промышленной частоты, при котором надежно обрывается сопровождающий ток. Это напряжение определяется свойствами разрядника. Если при КЗ на землю одной фазы на свободных фазах появляется перенапряжение, то напряжение гашения, прикладываемое к разряднику, определяется уравнением Uгаш = К₃ U_Hom,

где К₃ – коэффициент, зависящий от способа заземления нейтрали; Uhom

номинальное линейное напряжение сети. Для участков с заземленной нейтралью К₃ = 0,8, для изолированной нейтрали К₃ = 1,1. 3. Ток гашения 1гаш, под которым понимается сопровождающий ток, соответствующий напряжению гашения Цгаш.

3. Дугогасящее действие искрового промежутка характеризуется коэффициентом К_Гаш = Unp / UrAiu

где Unp — напряжение пробоя частотой 50 Гц искрового промежутка.

4. Защитное действие нелинейного резистора характеризуется
коэффициентом защиты

К₃АЩ = UoCT / ("V2 UrAIIl)*

где Uoct – напряжение на разряднике при импульсном токе 5-14 кА. Это напряжение должно быть на 20-25 % ниже разрядного напряжения защищаемой изоляции.

В настоящее время в отечественных установках 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: 1 – серии РВТ и РВРД; П – серии РВМ; Ш -серии РВС; 1У – серии РВП. Наилучшими свойствами обладают РВ 1 группы,

имеющие наименьшие значения остающегося напряжения, наихудшими – 1У группы.

Серия разрядников РВП выпускается на напряжения 3, 6 и 10 кВ. На рис. 7. 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. Искровые промежутки собраны внутри изоляционного цилиндра 5. 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 1, к заземляющей шине – шпилькой 13.

РВ серии РВС, которая выпускается в виде пяти стандартных элементов на 15, 20, 30, 33 и 35 кВ, комплектуемых последовательно на нижний 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. 8. В фарфоровой покрышке 3 в верхней и нижней частях разрядника расположены блоки искровых промежутков 5, между которыми находятся вилитовыедиски 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.

Рисунок 7 – Вентильный разрядник Рисунок 8 – Вентильный разрядник

Блоки искровых промежутков собраны в изоляционных цилиндрах и шунтированы резисторами из тирита.

Вилитшироко применяется в качестве материала нелинейных резисторов. В области больших токов его показатель нелинейности а = 0,13-0,2.Вилит очень гигроскопичен. Для защиты от влаги цилиндрическая поверхность дисков покрывается изолирующей обмазкой. Торцевые поверхности являются контактными и металлизируются.

Внутренние перенапряжения имеют низкочастотный характер и могут длиться до 1 с. Вследствие малой термической стойкости вилит не может быть использован для ограничения внутренних перенапряжений. Для ограничения внутренних перенапряжений используется аналогичный вилиту материал тервит,обладающий большой термической стойкостью и повышенным показателем нелинейности а= 0,15-0,29.

Тервитовые дискииспользуются в комбинированных разрядниках, рис.9.а), предназначенных для защиты как от внутренних (коммутационных), так и от внешних (атмосферных) перенапряжений. При внутренних перенапряжениях работают оба нелинейных резистора НР1 и НР2 (кривая 1 на рис. 9.б). При атмосферных перенапряжениях из-за большого тока напряжение на НР2 пробивает промежуток ИП2 и напряжение на защищаемой линии снижается (кривая2).

Вентильные разрядники работают бесшумно. Число срабатываний фиксируется специальным регистратором, который включается нижним выводом разрядника и заземлением. Наиболее надежны электромагнитные регистраторы, якорь которых при прохождении импульсного тока воздействует на храповой механизм счетного устройства.

Рисунок 9 – Комбинированный разрядник с тервитовыми резисторами

Для защиты от атмосферных перенапряжений изоляции электрооборудования переменного тока используется, например, вентильный разрядник РВС-110МУ1:Р – разрядник, В – вентильный, С – станционный, на номинальное напряжение ПО кВ, М – с магнитным гашением дуги, У – для работы в умеренном климате, 1 – для работы на открытом воздухе, массой 175 кг.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8810 – | 7168 – или читать все.

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). 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.

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.