Вентильные разрядники
Вентильные разрядники служат средством ограничения перенапряжений оборудования электроустановок, возникающих при коммутациях электрических цепей, разрядах молнии и т. п.
Защитное действие разрядника обуславливается тем, что при появлении опасного изоляции перенапряжения происходит пробой искрового промежутка разрядника, а протекающий через разрядник импульсный ток вследствие нелинейности рабочего сопротивления не создает опасного для изоляции повышения напряжения.
Находят применение вентильные разрядники различной конструкции. Приняты следующие буквенные обозначения типов разрядников: Р - разрядник; В - вентильный; О - облегченный; С - станционный; М - магнитный или модернизированный; Т - с токоограничивающими искровыми промежутками или тропического исполнения (если Т стоит после цифры); П - повышенное напряжение гашения; Г - грозовой; РД - с растягивающейся дугой; У - для работы в районах с умеренным климатом; число после дефиса номинальное напряжение, кВ; цифра 1 - для работы на открытом воздухе. Например, РВМГ-110МТ1 разрядник вентильный, с магнитным гашением, грозовой, на напряжение 110 кВ, модернизированный, с токоограничивающими искровыми промежутками, для работы на открытом воздухе.
По назначению вентильные разрядники делятся: для защиты электрооборудования от атмосферных перенапряжений (РВО, РВС, РВМГ, РВМА, РВП); для защиты машин и оборудования от атмосферных и кратковременных внутренних перенапряжений (РВРД, РВМА, РВВМ, РВМ); для защиты тягового электрооборудования от перенапряжений (РМВУ).
Для защиты электрооборудования высокого напряжения (60 кВ и выше) от грозовых перенапряжений разрядники комплектуются из типовых элементов (разрядники типа РВС - из элементов напряжением 15, 20, 30, 33 или 35 кВ; разрядники типа РВМГ - из унифицированных рабочих элементов РВМГ-30)
РВП - разрядник вентильный подстанционный, облегченной конструкции и не имеющий шунтирующих сопротивлений.
Разрядник типа РВС-10 (разрядник вилитовый станционный на 10 кВ) показан на рис. 1, а. Основными элементами являются вилитовые кольца 1, искровые промежутки 2 и рабочие резисторы 3. Эти элементы расположены внутри фарфорового кожуха 4, который с торцов имеет специальные фланцы 5 для крепления и присоединения разрядника.
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 резиновых прокладок 7.
Работа разрядника происходит в следующем порядке. При появлении перенапряжения пробиваются три последовательно включенных блока искровых промежутков 2 (рис. 1,б). Импульс тока при этом через рабочие резисторы замыкается на землю.
Рис. 1. Вентильный разрядник (а) и его искровые промежутки в увеличенном масштабе (б)
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика вилитового резистора
Возникший сопровождающий ток ограничивается рабочими резисторами, которые создают условия для гашения дуги сопровождающего тока.
После пробоя искровых промежутков напряжение на разряднике Uр=IRр.
Если сопротивление разрядника Rp, определяемое рабочими резисторами, линейное, то напряжение на разряднике растет пропорционально току и может стать выше допустимого для защищаемого оборудования. Для ограничения напряжения Up сопротивление Rp выполняется нелинейным и с ростом тока уменьшается.
Описанные разрядники получили название вентильных, потому что при импульсных токах их сопротивление резко падает, что дает возможность пропустить большой ток при относительно небольшом падении напряжения.
В качестве материала нелинейных резисторов широко применяется вилит. Типичная вольт-амперная характеристика вилитового резистора приведена на рис. 2, а. При небольших токах сопротивление Rp велико и напряжение линейно растет с ростом тока (область А). При больших токах сопротивление резко уменьшается и напряжение почти не растет (область В).
Основу вилита составляют зерна карборунда SiC с удельным сопротивлением около 10-2 Ом-м. На поверхности карборундовых зерен создается пленка оксида кремния SiО2 толщиной 10-7 м, сопротивление которой зависит от приложенного к ней напряжения. При небольших напряжениях удельное сопротивление пленки составляет 104—106 Ом-м. При увеличении приложенного напряжения сопротивление пленки резко уменьшается, сопротивление определяется в основном зернами карборунда и падение напряжения ограничивается.
Рабочие резисторы изготавливаются в виде дисков диаметром 0,1—0,15 м и высотой (20-60) - 10-3 м. С помощью жидкого стекла зерна карборунда прочно связываются между собой.
Вилит очень гигроскопичен. Для защиты от влаги цилиндрическая поверхность дисков покрывается изолирующей обмазкой. Торцевые поверхности являются контактными и металлизируются.
Обычно несколько рабочих резисторов в виде дисков соединяются последовательно (на рис. 1, а изображено 10 дисков).
Для уменьшения остающегося напряжения число дисков n должно быть возможно меньше.
При прохождении тока температура дисков повышается. При протекании импульса тока большой амплитуды, но малой длительности (десятки микросекунд) резисторы не успевают нагреваться до высокой температуры. При длительном протекании даже небольших токов промышленной частоты (один полупериод равен 10 мс) температура гложет превысить допустимое значение, диски теряют свои вентильные свойства, и разрядник выходит из строя.
Предельно допустимая амплитуда импульса тока для диска диаметром 100 мм равна 10 кА при длительности импульса 40 мкс. Допустимая амплитуда прямоугольного импульса с длительностью 2000 мкс не превышает 150 А. Такие токи диск без повреждения пропускает 20-30 раз.
После прохождения импульсного тока через разрядник начинает протекать сопровождающий ток, представляющий собой ток промышленной частоты. По мере приближения тока к нулевому значению сопротивление вилита резко увеличивается, что ведет к искажению синусоидальной формы тока. Увеличение сопротивления цепи ведет к уменьшению тока и угла сдвига фаз ф между током и напряжением. На рис. б, показаны кривые токов в рабочем резисторе. Здесь 1 — напряжение источника 50 Гц; 2 — кривая тока цепи, определяемого индуктивным сопротивлением X; 3 — кривая тока, определяемого рабочим резистором. Из-за нелинейности резистора Rp уменьшается возвращающееся напряжение (напряжение промышленной частоты). Уменьшение скорости подхода тока к нулю уменьшает мощность дуги в области нулевого значения тока. Все это облегчает процесс гашения дуги, горящей между электродами разрядного промежутка. Благодаря применению латунных электродов в искровых промежутках после прохода тока через нуль около каждого катода образуется промежуток, электрическая прочность которого 1,5 кВ. Это обеспечивает гашение сопровождающего тока при первом прохождении тока через нуль и позволяет погасить дугу в искровых промежутках без применения специальных дугогасительных устройств.
Устройство искрового промежутка вентильного разрядника ясно из рис. 1, б. Форма электродов обеспечивает равномерное электрическое поле, что позволяет получить пологую вольт-секундную характеристику.
Возникновение заряда в закрытом объеме разрядника при малой длительности импульса тока затруднено. Для облегчения ионизации искрового промежутка между электродами помещается миканитовая прокладка. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха значительно меньше, чем у входящей в состав миканита слюды, то в приэлектродном объеме воздуха возникают высокие градиенты электрического поля, вызывающие его начальную ионизацию. Образующиеся электроны приводят к быстрому формированию разряда в центре искрового промежутка.
Искровые промежутки последовательно соединяются, образуя блок (см. рис. 1,б). Обычно разрядник имеет несколько таких блоков. Результирующая вольт-секундная характеристика последовательно соединенных промежутков достаточно пологая.
Экспериментально установлено, что одиночный искровой промежуток способен отключить сопровождающий ток с амплитудой 80—100 А при действующем значении напряжения 1—1,5 кВ. Число единичных промежутков выбирается исходя из этого напряжения.
Рис. 3. Комбинированный разрядник с тервитовыми резисторами
Количество дисков рабочего резистора должно быть таким, чтобы максимальное значение тока не превысило 80—100 А. При этом гашение дуги обеспечивается за один полупериод.
Для обеспечения равномерной нагрузки при промышленной частоте промежутки шунтируются нелинейными резисторами 1 (рис. 3). Термическая стойкость дисков рассчитана на пропускание сопровождающего тока в течение одного-двух полупериодов.
Внутренние перенапряжения имеют низкочастотный характер и могут длиться до 1 с. Вследствие малой термической стойкости вилита может быть использован для ограничения внутренних перенапряжений. Для ограничения внутренних перенапряжений используется аналогичный вилиту материал тервит, обладающий большой термической стойкостью и повышенным показателем нелинейности.
Тервитовые диски используются в комбинированных разрядниках (рис. 3, 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. 3,б). При атмосферных перенапряжениях из-за большого тока напряжение на НР2 пробивает промежуток ИП2 и напряжение на защищаемой линии снижается (кривая 2).
Вентильные разрядники работают бесшумно. Число срабатываний фиксируется специальным регистратором, который включается между нижним выводом разрядника и заземлением. Наиболее надежны электромагнитные регистраторы, якорь которых при прохождении импульсного тока воздействует на храповой механизм счетного устройства.
С помощью искровых промежутков, показанных на рис. 1,б, невозможно отключение токов 200—250 А. В этом случае для гашения дуги применяются камеры магнитного дутья с постоянным магнитом. Дуга, возникающая в искровом промежутке, под воздействием магнитного поля загоняется в узкую щель с керамическими станками. На этом принципе созданы разрядники на напряжение до 500 кВ. Увеличение диаметра дисков до 150 мм позволяет поднять их термическую стойкость. В результате комбинированные магнитно-вентильные разрядники позволяют ограничивать как внутренние, так и атмосферные перенапряжения.
Основные характеристики вентильного разрядника: Напряжение гашения Uгаш — наибольшее приложенное к разряднику напряжение промышленной частоты, при котором надежно обрывается сопровождающий ток. Это напряжение определяется свойствами разрядника. Напряжение промышленной частоты, прикладываемое к разряднику, зависит от параметров схемы.