за счет чего осуществляется гашение дуги в трубчатых разрядниках
Трубчатые разрядники
Разрез трубчатого разрядника показан на рисунке ниже:
Для разгрузки изоляционного материала разрядника от электрического поля при нормальной работе электроустановки он отделяется от линии воздушным зазором S2. Второй электрод разрядника заземляется. При появлении перенапряжений происходит пробой промежутка S1 и S2 и импульсный ток уходит в землю. После прохода импульсного тока течет сопровождающий ток промышленной частоты. Между электродами 2 и 3 в промежутке S1 дуга загорается в узком канале обоймы 1 из газогенерирующего материала – фибры или винипласта. Внутри трубки происходит повышение давления. Газы могут отводиться через отверстие в кольцевом электроде 3.
При прохождении тока через нуль происходит гашение дуги под воздействием газов, выходящих из разрядника на промежуток S1.
Для улучшения условий гашения электрической дуги в заземленном электроде разрядника 4 имеется буферный объем 5, где энергия накапливается в виде потенциальной энергии сжатого газа. При проходе тока через нуль создается дутье из буферного объема, что способствует гашению электрической дуги.
Механическая прочность трубки определяет величину отключаемого тока промышленной частоты (для упрочненной стеклотканью на эпоксидной смоле винипластовой трубки 20 кА, для фибробакелитовой трубки – 10 кА).
Минимальный ток определяет гасящая способность трубки. Чем меньше диаметр выхлопного канала, чем больше его длина, тем меньше нижний предел отключаемого тока. В случае протекания большого тока в трубке возникает большое давление. В случае недостаточной механической прочности наступает разрушение разрядника. Поэтому решающую роль для трубчатого разрядника играет его механическая прочность. В качестве материала для разрядников применялась фибра до появления винипласта. В бумажно-бакелитовой среде размещалась фибровая трубка. Она увеличивала механическую прочность. Однако на открытом воздухе бакелит работает плохо, что требует тщательной окраски бакелитовой трубки специальным лаком, защищающим трубки от воздействия атмосферных явлений.
Маркировка разрядника расшифровывается следующим образом – в числителе указывается номинальное напряжение, а в знаменателе отключаемые токи. Например, разрядник РТ 
расшифровывается как разрядник трубчатый фибровый напряжением 35 кВ, а его отключаемые токи лежат в пределах 800 – 5000 А.
Наглядно защитное действие разрядника демонстрируется на рисунке ниже:
В момент пересечения вольт-секундной характеристики разрядника 2 с кривой 4 наступает пробой промежутка и через него протекает импульсный ток I, который создает падение напряжения на IR3 на сопротивлении заземления R3.
К более совершенным можно отнести разрядники РТВ (разрядник трубчатый винипластовый). Винипласт обладает высокой механической прочностью, имеет высокую газогенерирующую способность и хорошо работает без всяких покрытий на открытом воздухе. Наибольший отключаемый ток для этого разрядника доведен до 20 кА.
Работа трубчатого разрядника сопровождается выбросом газов и сильным звуковым эффектом. У разрядника РТВ-110 зона выброса представлена в виде конуса с высотой 2,2 м и диаметром 3,5. При установке разрядников нужно предусмотреть, чтобы в зону выброса не попали элементы электроустановки, находящиеся под высоким потенциалом.
От вольт-секундной характеристики в значительной степени зависит защитная характеристика промежутка между электродами. В трубчатом разряднике данный промежуток образовывается стержневыми электродами, которые имеют довольно крутую вольт-секундную характеристику из-за довольно большой неоднородности электрического поля. В электрических аппаратах и электрооборудовании электрическое поле стремятся сделать равномерным, так как в этом случае удается более полно использовать особенности изоляционных материалов и уменьшить габариты и массу электрооборудования. Вольт-секундная характеристика получается пологой при равномерном поле, и практически мало зависимой от времени. Поэтому трубчатые разрядники не подходят для защиты подстанционного электрооборудования из-за крутой вольт-секундной характеристики. Обычно с их помощью производят защиту только линейной изоляции. Необходимо рассчитать возможный минимальный и максимальный ток короткого замыкания и на основании этих расчетов произвести выбор соответствующего разрядника. Номинальное напряжение сети должно соответствовать номинальному напряжению разрядника. Размеры внешнего S2 и внутреннего S1 промежутков выбираются из специальных таблиц.
Содержание материала
Заземление нейтрали через омическое сопротивление или малую индуктивность и особенно глухое заземление нейтрали вызывают неоправданно большое число отключений линий, которых можно избежать, применяя средства гашения дуги. Оба эти, казалось бы, несовместимые мероприятия, т. е. гашение дуги и заземление нейтрали, могут быть реализованы одновременно, если использовать трубчатые разрядники. Начало широкому применению разрядников было положено в 1931 г. Их назначение состоит в том, чтобы заведомо определить путь разряда, не вызвав перекрытия изоляции, а затем быстро погасить дугу. Для этого параллельно линейным изоляторам на каждой опоре либо в опасных точках или на определенном расстоянии друг от друга устраиваются промежутки, имеющие меньшую электрическую прочность и соединенные последовательно с дугогасящими элементами. В этих элементах дуга ограничивается в узкой изоляционной трубке, имеющей один открытый конец и специальные электроды. Под действием дуги с внутренней поверхности трубки, из тонкого слоя фибры, происходит интенсивное выделение газа. Вырываясь через открытый конец трубки, газ разрывает дугу при первом же прохождении сопровождающего тока через нуль. Эта трубка размещается в прочном кожухе из фарфора либо из другого материала. В последнем случае кожух специально окрашивают для повышения его влагостойкости. Для того чтобы предохранить изоляцию трубки от преждевременного разрушения из-за постоянного воздействия напряжения, устраивается открытый воздушный промежуток, как это показано на рис. 107,а или в более общем виде для линий на деревянных опорах на рис. 107,б.
В тех случаях, когда одним из электродов является сам провод, его защищают от обгорания несколькими витками такого же провода. Дополнительная электрическая прочность изоляции на землю за счет траверс деревянных опор может быть сохранена. Для этого последовательно с тремя соединенными в звезду разрядниками отдельных фаз устанавливают четвертый разрядник.
Опыт эксплуатации трубчатых разрядников дал вполне удовлетворительные результаты. В системе 66 кВ [Л. 4], имеющей протяженность линий более 320 км, после установки около 5 000 трубчатых разрядников число отключений в год на 100 км линии снизилось с 18,7 до 2,2. Подобное улучшение, правда не всегда столь значительное, было отмечено и во многих других системах [Л. 5—7], работающих при напряжениях 13,8—138 кВ. Здесь следует иметь в виду, что результаты зависят также и от числа грозовых дней в году.
Рис. 107. Защита линейной изоляции трубчатыми разрядниками: а — трубчатый разрядник, общей вид (разряд происходит с линейного провода на металлический колпак и затем внутри трубки на землю; газы выбрасываются через отверстие в нижнем электроде); б — трехфазное устройство. 1— линейный провод; защищенный от воздействия дуги; 2 — внешний промежуток; 3 — металлический колпак. 4 — внутренние электроды; 5 — изоляционная трубка с многослойными стенками; 6 — внутренний промежуток; 7 — металлический электрод, соединенный с землей; 8 — отверстия для крепления; 9 — выхлопное отверстие.
Указанная конструкция разрядника обеспечивает удовлетворительное гашение дуги только тогда, когда величина тока лежит в определенном диапазоне, например 900— 5 000 а. Отклонение тока за пределы этого диапазона может привести к разрушению разрядника. Правильно выбранный разрядник на некоторый период времени соответствует условиям, имеющимся в дайной системе. Однако позже пределы изменения токов короткого замыкания могут расширяться. Как уже указывалось, разрядники не в состоянии работать при токах 6 000 а и выше. Кроме того, они допускают лишь ограниченное число срабатываний, в среднем 4 или 5. Это связано с тем, что повторные срабатывания вызывают частичное разрушение трубки. Считают, что выходное отверстие диаметром 9,5 мм не должно увеличиваться более чем на 1,6 мм. Для удовлетворительной работы разрядника большое значение имеет правильная его эксплуатация. Желательно иметь индикатор срабатывания, который можно легко выполнить, закрыв выходное отверстие полоской из фосфористой бронзы. При срабатывании разрядника выходящие газы отгибают полоску, что можно обнаружить путем осмотра в бинокль при обходе линии. После этого полоску возвращают в исходное положение с помощью штанги.
Затруднения в эксплуатации возникают в связи с опасностью засорения выходного отверстия насекомыми. При этом нарушается нормальная вентиляция внутри трубки, происходит увлажнение фибровой вставки, которая, разбухая, может вылезть разрушение корпуса разрядника. После этого фибровая вставка уже не будет защищена от атмосферных воздействий; разряд может произойти по ее внешней поверхности, что приведет к повреждению самой трубки. Может оказаться, что периодические проверки состояния выходных отверстий разрядников, установленных в определенных районах, составят наиболее существенную часть работ по уходу за разрядниками.
Трубчатые разрядники разрывают дугу и восстанавливают электрическую прочность промежутка в пределах одного полупериода. Они не ограничивают амплитуду тока короткого замыкания, протекающего по поврежденному проводу на землю, а поэтому не могут привести к снижению напряжений, наводимых при этом в линиях связи. Большая величина тока повреждения является наиболее существенным недостатком трубчатого разрядника по сравнению с дугогасящей катушкой. Кроме того, последняя обеспечивает более благоприятные условия для восстановления электрической прочности изоляции. Однако в этом отношении трубчатые разрядники находятся в более благоприятных условиях, чем выключатели, так как параллельно дуге в трубчатом разряднике остается включенной полная емкость линии, которая замедляет скорость восстановления напряжения. Защитное действие разрядников не зависит от сопротивления заземления опор, если они установлены на каждой опоре. Если же защитная зона разрядника распространяется на несколько опор, то необходимо низкое сопротивление заземления. Вольт-секундные характеристики трубчатых разрядников лучше, чем у промежутка стержень — плоскость. Эффект полярности весьма незначителен. Применение разрядников для зашиты оборудования станций может дать эффективное решение вопросов координации изоляции, а не только гашения дуги. Возможности изменения характеристики разрядника ограничиваются из-за наличия внешнего открытого промежутка, защищающего трубку от продолжительного воздействия чрезмерно большого напряжения. Этот внешний промежуток не может быть произвольно малым. Разрядное напряжение защитных промежутков должно быть ниже, чем у защищаемой изоляции. Поэтому число срабатывания разрядников будет несколько больше возможного числа перекрытий изоляции.
Для получения максимальной эффективности защиты желательно устанавливать трубчатые разрядники на каждой опоре, ибо число перекрытий изоляции резко возрастает по мере увеличения расстояния между разрядниками. Однако часто экономически целесообразнее ограничить число разрядников, установив их на отдельных участках линий или в местах наиболее частого появления атмосферных перенапряжений, т. е. на сверхвысоких опорах при переходах через реки или опорах, стоящих на грунте с низкой проводимостью. При этом зону, защищаемую разрядниками, желательно сделать такой, чтобы она доходила до мест, где эти неблагоприятные условия уже не сказываются. Затраты по установке разрядников на каждой опоре могут быть оправданы лишь в тех случаях, когда это позволяет отказаться от двухцепной линии в пользу линии одноцепной без снижения надежности питания потребителей. Такой подход оправдал себя в нескольких системах, работающих при напряжениях 66, 115 и 132 кВ с линиями как на деревянных, так и на металлических опорах [Л. 9]. Для линии 115 кВ стоимость трубчатых разрядников, включая стоимость их монтажа, была примерно в 6—7 раз выше стоимости дугогасящей катушки.
Более подробные сведения о сравнительной стоимости даны в конце этой главы. По-видимому, разрядники следует применять в тех случаях, когда необходимо более или менее жестко поддерживать потенциал нейтрали системы равным потенциалу земли, например когда имеются устройства с особой изоляцией (ступенчатой) или когда системы разных напряжений имеют электрическую связь (автотрансформаторы). Трубчатые разрядники значительно повышают надежность питания потребителей. Можно также считать, что в силу быстродействия они ограничивают влияние на линии связи, несмотря на то, что число разрядов несколько увеличивается.
В отличие от дугогасящей катушки трубчатые разрядники способны устранять не только однофазные замыкания на землю, но также и замыкания двух и трех фаз на землю.
В США [Л. 6] трубчатыми разрядниками (до 1952 г.) было оборудовано 4,75% линий 100—125 кВ и около 1% линий 126—150 кВ.
Трубчатые разрядники.
Защитные аппараты, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени меньшего, чем время действия релейной защиты, получили название защитных разрядников. В настоящее время к ним относятся РТ, РВ и РДИ.
В трубчатых разрядниках гашение дуги сопровождающего тока происходит в результате интенсивного продольного дутья. Принципиальная схема устройства и включения РТ показана на рис. 7.22.
Рис. 7.22. Устройство трубчатого разрядника
Основу разрядника составляет трубка 1 из газогенерирующего материала (фибробакелит, винипласт). Один конец трубки заглушён металлической крышкой, на которой укреплен внутренний стержневой электрод 2. На открытом конце трубки расположен другой электрод в виде кольца 3. Промежуток l1между стержневым и кольцевым электродами называется внутренним, или дугогасящим, промежутком. Трубка отделяется от провода фазы внешним искровым промежутком l2, иначе газогенерирующий материал трубки постоянно разлагался бы под действием токов утечки.
Защитное действие РТ характеризуется его вольт-секундной характеристикой и сопротивлением заземления. Вольт-секундная характеристика определяет напряжение срабатывания разрядника, а сопротивление заземления – остающееся на разряднике после его срабатывания импульсное напряжение. Вольт-секундная характеристика зависит от длины внешнего и внутреннего промежутков разрядника и имеет вид, характерный для промежутков с резконеоднородным полем. Длина внешнего искрового промежутка выбирается по условиям защиты изоляции и может регулироваться в определенных пределах. Длина внутреннего искрового промежутка устанавливается в соответствии с дугогасящими свойствами разрядника и регулированию не подлежит.
При воздействии на РТ импульса грозового перенапряжения оба промежутка пробиваются (перекрытие по внешней поверхности не может произойти, поскольку разрядное расстояние по этой поверхности много больше длины внутреннего промежутка) и происходит ограничение импульса напряжения на защищаемой изоляции. После окончания грозового импульса по каналам разряда пробитых промежутков проходит сопровождающий ток рабочей частоты. Под действием высокой температуры канала дуги переменного тока в трубке происходит интенсивное выделение газа. Давление в трубке увеличивается. Газы, устремляясь к открытому концу трубки, создают продольное дутье, в результате чего дуга охлаждается. Баланс подводимой электрической и теряемой тепловой энергий нарушается, и дуга гаснет обычно при первом же прохождении тока через нулевое значение. Срабатывание разрядника сопровождается выхлопом раскаленных газов и звуком, напоминающим выстрел.
Для успешного гашения дуги сопровождающего тока необходимо достаточно интенсивное генерирование газа в трубке, которое зависит от проходящего тока. Поэтому имеется нижний предел токов, которые надежно отключаются трубчатым разрядником. При больших токах слишком интенсивное газообразование может привести к чрезмерному повышению давления и разрыву трубки или срыву наконечников. Поэтому для трубчатых разрядников устанавливается также верхний предел отключаемых токов, при котором гашение дуги еще не может сопровождаться механическим повреждением разрядника. Значения верхнего и нижнего пределов отключаемых токов зависят от размеров внутреннего канала разрядника. Уменьшение длины внутреннего промежутка, а также увеличение диаметра канала разрядника приводят к смещению обоих пределов отключаемых токов в сторону больших значений.
Поскольку работа трубчатого разрядника сопровождается выхлопом сильно ионизированных газов, расположение их на опоре должно быть таким, чтобы выхлопные газы не вызывали междуфазных перекрытий или перекрытий на землю. Для этого в зону выхлопа не должны попадать токоведущие части других фаз, заземленные конструкции, а также зоны выхлопов разрядников, защищающих другие фазы.
Крутая вольт-секундная характеристика и наличие зоны выхлопа не позволяют использовать трубчатые разрядники для защиты подстанционного оборудования. Основное их применение – это защита линейных подходов к подстанциям, электрооборудования маломощных подстанций 3–10 кВ и участков пересечения линий различного номинального напряжения. В последнее время их постепенно заменяют РВ или ОПН.
Применение молниеотводов полностью не исключает поражения молнией электроустановок, особенно линий электропередачи, так как вероятность прорыва молнии для воздушных линий электропередачи может быть сравнительно высока, и, кроме того, они часто выполняются вообще без тросовой защиты. Волны перенапряжений, возникающие на линиях при ударах молнии, доходят до подстанций (поэтому их и называют набегающими волнами) и могут представлять опасность для изоляции установленного там оборудования.
В установках с заземленной нейтралью или при пробое искрового промежутка в двух-трех фазах дуга сопровождающего тока самостоятельно может и не погаснуть, и импульсный пробой в этом случае перейдет в устойчивое короткое замыкание, что приведет к отключению установки. Поэтому, чтобы избежать такого отключения установки, необходимо обеспечить гашение дуги сопровождающего тока через искровой промежуток.
Устройства, которые обеспечивают не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени, меньшего, чем время действия релейной защиты, называют защитными разрядниками в отличие от обычных искровых промежутков, которые принято называть защитными промежутками (ПЗ).
Трубчатые разрядники вместе с вентильными являются основными типами разрядников. Они отличаются принципом гашения дуги сопровождающего тока. В трубчатых разрядниках гашение дуги осуществляется за счет создания интенсивного продольного дутья, а в вентильных дуга гаснет благодаря уменьшению сопровождающего тока с помощью дополнительного сопротивления, включенного последовательно с искровым промежутком.
Трубчатый разрядник (рис. 1, а) представляет трубку 2 из изолирующего газогснерирующего материала, внутри которой имеется дугогасящий нерегулируемый промежуток S1, образованный стержневым электродом 3 и фланцем 4. Разрядник отделяется от рабочего напряжения внешним искровым промежутком так как трубка 2 не рассчитана на длительное нахождение под напряжением из-за разложения газогенерирующего материала под действием токов утечки. Второй фланец 1 разрядника заземляется.
Рис. 1. Трубчатый разрядник: а — устройство и схема включения, б — условное обозначение на схемах, в — напряжение на разряднике, г —схема замещения.
При перенапряжении в сети (рис. 1, в) оба искровых промежутка пробиваются и волна перенапряжений (кривая 1) срезается. По пути, созданному импульсным разрядом, начинает протекать сопровождающий ток, и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги сопровождающего тока материал трубки разлагается с выделением большого количества газов, давление в ней резко возрастает (до десятков атмосфер) и газы с силой вырываются через отверстие фланца 4, создавая интенсивное продольное дутье. В результате дуга гаснет при первом же прохождении тока через нуль.
Верхний предел отключаемых токов также ограничивается, так как слишком интенсивное газообразование может привести к разрушению разрядника (разрыву трубки или срыву фланцев).
При уменьшении длины дугогасящего промежутка и увеличении его диаметра оба предела отключаемых токов разрядника смещаются в сторону больших значений.
Вследствие малой механической прочности фибры она заключается в толстую трубку из бакелизированой бумаги, которая для уменьшения ее гигроскопичности покрывается влагостойким лаком (обычно перхлорвиниловой эмалью), хорошо выдерживающим атмосферные воздействия летнего и зимнего периодов. Особенностью разрядников типа РТФ является наличие камеры у закрытого конца трубки, которая усиливает продольное дутье при прохождении тока через нулевое значение и способствует тем самым гашению дуги.
В разрядниках РТВ газ генерируется трубкой из винипласта, который обладает более высокой газогенерирующей способностью и изолирующими свойствами, хорошо сохраняющимися даже при работе на открытом воздухе при любой погоде. Разрядники РТВ имеют более простую конструкцию (у них нет внутренней камеры, не требуют лакировки) и более высокие верхние пределы отключаемых токов (15 кА вместо 7—10 кА для разрядников РТФ).
Рис. 2. Трубчатый разрядник РТВ-20-2/10
Для работы в сетях с очень большими отключаемыми токами (до 30 кА) выпускаются усиленные разрядники типа РТВУ, повышенная механическая прочность которых достигается путем обмотки винипластовой трубки слоями стеклоленты, пропитанной атмосферостойким эпоксидным компаундом.
Импульсная пропускная способность трубчатых разрядников, которые пропускают через себя практически весь ток молнии при ударе ее в линию, достаточно высока и составляет 30—70 кА.
Выбор трубчатых разрядников производится по номинальному напряжению сети и пределам токов короткого замыкания сети в точке их установки. Максимальный ток к. з. рассчитывают при условии включения всех элементов сети (линии, трансформаторы, генераторы) с учетом апериодической составляющей тока к. з., минимальный ток — при схеме сети с частично выключенными элементами (например, для капитального ремонта) и без учета апериодической составляющей. Найденные пределы тока к. з. должны укладываться в пределы отключаемых токов трубчатого разрядника.
Основными недостатками трубчатых разрядников являются наличие зоны выхлопа, крутой срез волны перенапряжения, замыкание (хотя и кратковременное) линий на землю и особенно крутая вольт-секундная характеристика, исключающая возможность широкого применения трубчатых разрядников в качестве аппарата защиты подстанционного оборудования. Недостатком трубчатых разрядников является также наличие предельных отключаемых токов, что осложняет их производство и эксплуатацию.
Благодаря своей простоте и низкой стоимости трубчатые разрядники широко применяются в качестве вспомогательных средств защиты подстанций, для защиты маломощных и малоответственных подстанций, а также отдельных участков линий.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: