ТЕРМОГРЯЗЕСТОЙКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК H01C7/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защиты электрических сетей и установок от перенапряжений.

Известны защитные устройства, применяющиеся для защиты электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью, например, нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) [1]
Недостатком известных устройство является зависимость надежности резистора ОПН от конкретных условий эксплуатации, которые могут быть достаточно разнообразны. Например, высокие температуры окружающей среды (t, ^oС) при умеренной степени загрязнения атмосферы (СЗА). Или большая СЗА при небольших температурах окружающей среды, и, наконец, в экстремальных ситуациях, большая СЗА в сочетании с высокими температурами окружающей среды.

Экспериментальные исследования [2, 3] доказали, что наличие поперечных емкостей (С_п, пФ/м) между резистором ОПН и увлажненным слоем загрязнения на покрышке приводит к повышенным токовым воздействиям на резистор ОПН. Повышенные токовые воздействия вызывают перегревы (ΔT, К) резистора по отношению к температуре окружающей среды. Перегревы, ухудшая тепловой режим резистора, являются причиной снижения надежности работы ОПН. Экспериментально установлено [4] что предельно допустимая в течение длительного времени температура резистора не должна превышать (90 100)^oС. Энергия, рассеиваемая в резисторе при так называемом "тепловом удаpе", вызванном коммутационным импульсным и последующим резонансным перенапряжением, в самых неблагоприятных условиях повышает температуру резистора не более чем на 25^oС. Следовательно, предельно допустимый длительный перегрев резистора не должен превышать
ΔT≅[(65÷75)-t)] ≈ (70-t),^°K.
Прототипом заявляемого устройства является грязестойкий ограничитель перенапряжений (авт. св. N 1690492 от 08.07.91) [5] который фиксирует отношение внешнего диаметра покрышки (D₂) к диаметру столба резистора (D₁) на уровне D₂/D₁≥2,2. Для осесимметричных конструкций D₂/D₁≥2,2 соответствует условию С_п≅(70 75)пФ/м. При выполнении условия D₂/D₁≥2,2 резистор ограничителя становится малочувствительным к имеющим статистический характер электротермодинамическим процессам, протекающим в увлажненном слое загрязнения на покрышке ОПН.

Однако прототип (авт. св. N 1690492) обладает двумя существенными недостатками, которые связаны с тем, что условие D₂/D₁≥2,2 получено без учета того, что кроме нагрева, вызываемого наличием удельной поперечной емкости С_п, всегда имеет место теплоотдача от резистора в окружающую среду, которая понижает температуру резистора, причем процесс теплоотдачи от резистора к окружающей среде слабо зависит от величины С_п.

Недостатки прототипа следующие. В том, случае, который имеет место для показанных на фиг.1 несоосных конструкций ОПН с крупногабаритными резисторами, условие D₂/D₁≥2,2 может привести к неоправданно оптимистичным оценкам теплового режима резистора, и фактическая надежность работы ОПН будет хуже прогнозируемой. В другом случае, который имеет место для показанных на фиг.2 осесимметричных одно- или многоколонковых конструкций, выполнение условия D₂/D₁≥ 2,2 может оказаться, наоборот, неоправданно жестким, особенно если ограничитель предназначается для эксплуатации в районах, хотя и с высокой СЗА, но при умеренных температурах окружающей среды. В этом случае удовлетворение требования прототипа D₂/D₁≥2,2 может привести к неоправданному увеличению стоимости ОПН.

Изложенное наглядно иллюстрируется показанными на фиг. 3 расчетно-экспериментальными зависимостями математического ожидания перегревов резистора ( К) от поперечной емкости. Приведенные на фиг. 3 зависимости построены по результатам испытаний 12 загрязненных ограничителей 110 кВ и 230 кВ, представленных в табл.1. В табл.2 для этих ОПН-110 и ОПН-220 кроме опытных значений приведены расчетные значения С_п и коэффициентов теплоотдачи (α_э, Вт/м²К) от резистора в окружающую среду. Величина α_э определяет интенсивность охлаждения резистора.

Из сопоставления данных табл.1 и 2 видно, что величина поперечной емкости С_п существенным образом зависит как от диаметра и толщины покрышки, так и от характера оребрения, т.е. геометрии ее наружной поверхности. Величина коэффициента теплоотдачи α_э в основном определяется двумя факторами: конструкцией аппарата (осесимметричное или несоосное расположение столба резистора внутри покрышки и суммарная поверхность тепловыделения столба резистора); теплофизическими характеристиками материалов, из которых изготовлен ОПН, в первую очередь коэффициентами теплопроводности фарфора, песка, воздуха, полимеров и анизотропным характером теплопроводности столба резистора в продольном и поперечном направлениях.

Если воспользоваться зависимостями фиг.3 и экспериментально полученной [3] функцией распределения вероятностей перегревов резистора в виде

то нетрудно подсчитать, что на вероятностном уровне 0,997, несмотря на выполнение условия D₂/D₁≥2,2, т.е. когда С_п≅75 пФ/м, одноколонковый несоосный ограничитель с крупногабаритными (⊘48мм) резисторами уже при температуре окружающей среды t≥16,5^oС нельзя рассматривать как грязестойкий, ибо температура его резистора превысит 100^oС. В то же время осесимметричный многоколонковый ОПН с резистором из малогабаритных (⊘28мм) высоконелинейных элементов при том же уровне надежности P=0,997 удовлетворяет требованиям грязестойкости вплоть до температур окружающей среды t≅39,2^oС.

Таким образом, использование защитных устройств по прототипу может сделать невыгодным применение технологически и экономически перспективных крупногабаритных высоконелинейных элементов, ибо улучшение надежностных и стоимостных показателей при проектировании и массовом производстве ограничителей с крупногабаритными резисторами особенно четко проявляется при переходе к несоосным конструкциям.

С другой стороны, при невысоких температурах окружающей среды условие прототипа D₂/D₁≥2,2 для осесимметричных одноколонковых или многоколонковых конструкций может оказаться излишне жестким, неоправданно завышающим стоимость и вес ограничителя, так как при его выполнении абсолютная температура резистора будет ниже длительно допустимых 100^oС. В подобных ситуациях тепловой режим резистора ОПН позволяет без снижения надежности ориентироваться на отношение D₂/D₁, меньшее чем 2,2. Уменьшение отношения D₂/D₁ рационально осуществить за счет наружного диаметра покрышки D₂, ибо уменьшение D₂ одновременно увеличивает интенсивность теплоотдачи от резистора во внешнюю среду и заметно снижает вес и стоимость аппарата.

Технической задачей настоящего изобретения является создание ОПН, обеспечивающего повышение надежности работы, снижение веса и стоимости защитных аппаратов, предназначенных для эксплуатации в различных, в том числе как легких, так и экстремальных по температуре окружающей среды и степени загрязнения атмосферы, условиях путем оптимизации конструкции ограничителя и улучшения теплового режима его резистора.

Указанный технический результат достигается тем, что в термогрязестойком ограничителе перенапряжений электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью, содержащем включенный между фазой защищаемой сети и землей высоконелинейный, например, окисно-цинковый резистор, размещенный между электропроводящими фланцами внутри герметизированной изоляционной покрышки, геометрия наружной поверхности которой, определяющая эффективную длину пути утечки, коэффициент формы, число, форму и вылет ребер, обеспечивает электрическую прочность внешней изоляции при загрязнениях и увлажнениях, причем высоконелинейный резистор представляет собой один или несколько параллельно включенных столбов, скомплектованных из последовательно соединенных единичных высоконелинейных элементов, удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения С_п, эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя α_э и эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью теплоотдачи резистора реального аппарата α_эo выбраны из соотношения:

где m параметр, зависящий от заданного уровня надежности Р работы термогрязестойкого ограничителя и температуры окружающей среды t^oС. Численные значения параметра m представлены в табл.3.

Здесь
С_п, пФ/м удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения;
α_э, Вт/м²•К эквивалентный (с учетом теплоотдачи излучением и конвективной теплоотдачи с поверхности покрышки) коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя;
α_эo, Вт/м²•к эквивалентный (с учетом теплоотдачи излучением и конвективной теплоотдачи с поверхности покрышки) коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью, равной суммарной поверхности теплоотдачи резистора реального аппарата.

На фиг. 4 представлен термогрязестойкий ограничитель перенапряжений (ОПНТГ), содержащий включенный между фазой защищаемой сети 1 и землей 2 высоконелинейный резистор 3, заключенный в герметизированную изоляционную фарфоровую или полимерную покрышку 4 между верхним 5 и нижним 6 электропроводящими фланцами.

Параметр β = C_п•α_эo/α_э, учитывающий как нагрев столба резистора, так и его охлаждение за счет процессов теплоотдачи от столба резистора к окружающей среде, является критерием подобия, который сводит семейство зависимостей фиг.3 к показанной на фиг.5 единой обобщенной зависимости
Алгоритм расчета указанных в табл.3 численных значений параметра m≥β следующий:
в выражении для функции распределения вероятностей перегревов выполняется переход к обобщенному критерию b;
с учетом того, что длительно допустимый перегрев резистора ΔT≅(70-t)^°C, математическое ожидание перегревов резистора равно

для заданной надежности P по обобщенной зависимости фиг.5 определяются, как показано на фиг. 5, пунктиром, представленные в табл.3 численные значения m≥β.
Техническая задача настоящего изобретения будет решена, если конструкция и теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлены элементы ОПНТГ, выбраны так, чтобы выполнялось условие

поскольку в этом случае будут оптимальным образом учтены реальные условия эксплуатации и абсолютная температура резистора не превышает длительно допустимые 100^oС.

При этом внешняя геометрия покрышки (эффективная длина пути утечки, коэффициент формы, число и вылет ребер и др.) может выбираться независимо, исходя только из необходимости обеспечения электрической прочности внешней изоляции в условиях СЗА региона эксплуатации термогрязестойкого ограничителя. Это объясняется тем, что абсолютная температура резистора не может превзойти длительно допустимые 100^oС.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности, уменьшении стоимости и веса термогрязестойкого ограничителя перенапряжений за счет оптимизации конструкции ограничителя и улучшении теплового режима его резистора ОПНТГ при эксплуатации в различных условиях по температуре окружающей среды от t=(15 20)^oС до t=(40 45)^oС и степени загрязнения атмосферы от (I II) районов СЗА до (IV V) районов СЗА.

В случае применения прототипа (авт. св. N 1690492) при высоких температурах окружающей среды высокая надежность может быть обеспечена только за счет отказа от несоосных конструкций и использования технологически и экономически перспективных в несоосных конструкциях крупногабаритных резисторов, неизбежен переход к многоколонковым осесимметричным конструкциям с малогабаритными высоконелинейными элементами.

В случае использования прототипа по а. с. 1690492 в регионах с умеренной температурой окружающей среды высокая надежность может быть достигнута, однако ценой ухудшения весовых и стоимостных показателей.

Таким образом, заявленные отличительные признаки являются существенными для решения технической задачи предлагаемого изобретения.

Использование: в электротехнике, в частности в устройствах защиты электрических сетей и установок от перенапряжения. Цель изобретения - повышение надежности работы и снижение веса и стоимости защитных аппаратов, предназначенных для эксплуатации в различных, в том числе как легких, так и экстремальных по температуре окружающей среды и степени загрязнения атмосферы условиях. Сущность: термогрязестойкий ограничитель перенапряжений электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью содержит высоконелинейный резистор, который размещен между электропроводящими фланцами внутри герметизированной изоляционной покрышки. Геометрия покрышки, определяющая эффективную длину пути утечки, коэффициент формы, число, форму и вылет ребер такова, что обеспечивает электрическую прочность внешней изоляции при загрязнениях и увлажнениях. Высоконелинейный резистор представляет собой один или несколько параллельно включенных столбов, скомплектованных из последовательно соединенных единичных высоконелинейных элементов. Удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения С_п, эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя α_э и эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью теплоотдачи резистора реального аппарата α_эo, выбраны из определенного соотношения. 5 ил., 3 табл.

Термогрязестойкий ограничитель перенапряжений для защиты от перенапряжений электрических сетей и установок с эффективно заземленной нейтралью, содержащий включенный между фазой защищаемой сети и Землей высоконелинейный, например, окисно-цинковый резистор, размещенный между электропроводящими фланцами внутри герметизированной изоляционной покрышки, геометрия наружной поверхности которой, определяющая эффективную длину пути утечки, коэффициент формы, число, форму и вылет ребер, обеспечивает электрическую прочность внешней изоляции при загрязнениях и увлажнениях, причем высоконелинейный резистор представляет собой один или несколько параллельно включенных столбов, скомплектованных из последовательно соединенных единичных высоконелинейных элементов, отличающийся тем, что удельная поперечная емкость между столбом резистора и увлажненным слоем загрязнения С_п, эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности столба резистора реального ограничителя α_э, и эквивалентный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности одноколонкового осесимметричного аппарата с расчетной поверхностью теплоотдачи резистора реального аппарата α_эо выбраны из соотношения

где m параметр, зависящий от заданного уровня надежности работы термогрязестойкого ограничителя Р и температуры окружающей среды t^oС, численные значения которого приведены в табл. 3 описания.